Всплеск гамма-лучей, более чем в 10 раз более яркий, чем любой другой обнаруженный ранее, поразил Землю в октябре 2022 года, выжгла атмосферу, поразив астрономов и получив прозвище ЛОДКА — ярчайшая за все время. Теперь астрономы, использующие орбитальную обсерваторию НАСА JWST, определили источник взрыва и наткнулись на новую загадку.
Как и ожидали теоретики, причиной взрыва была сверхновая типа коллапсар: массивная, быстро вращающаяся звезда, у которой закончилось топливо и она рухнула, выбрасывая свои внешние слои в космос, прежде чем исчезнуть в черной дыре. Исследователи также полагают, что экстремальные условия, создаваемые коллапсарами, могут привести к образованию самых тяжелых элементов в природе, таких как уран, платина и золото. Учитывая яркость BOAT, они ожидали, что процесс ковки элементов будет наглядно продемонстрирован. Но команда ничего не увидела. «Не было никаких доказательств присутствия этих элементов», — говорит Питер Бланшар из Северо-Западного университета, возглавлявший работу, результаты которой были опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Другие недавние исследования показали тот же загадочный дефицит. Но теоретики говорят, что списывать коллапсары со счетов как источники самых тяжелых элементов еще рано. «Я не думаю, что решение еще принято», — говорит Чиаки Кобаяши из Университета Хартфордшира. «Нам просто не хватает статистики».
Большой взрыв наделил Вселенную обильным водородом и гелием. Но все остальные 92 природных элемента образуются в звездах по мере того, как ядра сливаются в более крупные. Обычные звезды производят более легкие элементы, но считается, что элементы тяжелее железа требуют взрывных условий сверхновой или какого-либо другого экстремального явления.
Половине более тяжелых элементов — самых богатых нейтронами — требуются особые условия, при которых нейтроны бомбардируют затравочное ядро так быстро, что оно не успевает распасться, прежде чем поглотит еще больше — процесс, известный как быстрый захват нейтронов или r-процесс. Звезды, относящиеся к ранней Вселенной, содержат элементы r-процесса, такие как европий, что позволяет предположить, что процесс начался рано. «Из наблюдений за близкими звездами мы имеем очень убедительные доказательства раннего r-процесса», — говорит Кобаяши. Это заставило астрономов изо всех сил пытаться выяснить, где могут существовать необходимые условия.
Детекторы гравитационных волн дали ключ к разгадке. Когда в 2017 году детекторы в США и Европе уловили волны, образовавшиеся в результате бурного слияния двух нейтронных звезд — сверхплотных остатков звезд, — оптические телескопы увеличили масштаб изображения и обнаружили доказательства формирования элементов r-процесса. По одной из оценок, в результате взрыва было произведено золота и платины на 10 масс Земли. Но астрономы считают, что слияния нейтронных звезд слишком редки, чтобы быть основным источником элементов r-процесса.
Коллапсары казались лучшим выбором. Коллапсары более распространены, чем слияния нейтронных звезд, но все же настолько редки, что их наблюдалось всего несколько десятков. Для коллапсаров требуются звезды, достаточно массивные, чтобы ядро, оставшееся после взрыва сверхновой, окончательно коллапсировало в черную дыру. Быстрое вращение также является ключевым фактором, благодаря которому остатки материала превращаются в аккреционный диск. Когда черная дыра всасывает материал из диска, она нагревается до экстремальных температур, выбрасывая излучение и частицы, которые создают условия r-процесса.
Эти условия также являются ключевыми для образования струй — пучков частиц, вылетающих из полюсов черной дыры на околосветовых скоростях. Когда струя направлена прямо на Землю, астрономы видят всплеск гамма-лучей — гамма-всплеск. В случае с BOAT, официально GRB 221009A, говорит Бланшар, послесвечение GRB было настолько ярким, что другая команда, наблюдавшая за событием с помощью JWST всего через 12 дней после первого взрыва, не смогла увидеть сверхновую.
Команда Бланшара дождалась 6 месяцев спустя, когда послесвечение исчезло и расширяющаяся оболочка материала рассеялась настолько, что JWST смог увидеть вблизи черной дыры, где, как ожидается, произойдет r-процесс. К удивлению членов команды, учитывая яркость BOAT, остатки коллапсара не выглядели особенно большими. Но еще больший сюрприз произошел, когда они исследовали его спектр и не смогли увидеть характерные линии излучения элементов r-процесса, таких как теллур, селен и рубидий, которые были бы очевидны в среднем инфракрасном диапазоне длин волн, к которому чувствителен JWST.
Бланшар говорит, что GRB 221009A может быть необычным, потому что он произвел такой экстремальный гамма-всплеск. Он также находится в галактике с дефицитом тяжелых элементов, в отличие от галактик, в которых обычно обнаруживаются гамма-всплески. Тем не менее, он говорит, что отсутствие тяжелых элементов удивительно, поскольку GRB 221009A был главным кандидатом для обнаружения r-процесса. «Это действительно казалось надежным прогнозом», — говорит он. «Это углубляет тайну».
Другое исследование, опубликованное в феврале, обнаружило аналогичный нулевой результат в выборке из 25 потенциальных коллапсаров. Команда смоделировала, как r-процесс должен повлиять на форму кривой блеска коллапсара — как его яркость меняется со временем, — а затем сравнила модель с наблюдаемыми кривыми блеска 25 сверхновых. В каждом случае кривая no-r-процесса подходит лучше.
Кобаяши не слишком обеспокоен всеми этими необнаружениями. По ее расчетам, только одна из 1000 сверхновых способна генерировать r-процесс. «Наблюдателям необходимо найти больше событий сверхновых», — говорит она. «Очень сильное подтверждение, возможно, придется подождать некоторое время».
