Самый яркий гамма-всплеск породил очень мало тяжелых элементов

Космический инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб» отыскал сверхновую, связанную с самым ярким гамма-всплеском в истории. Данные наблюдений говорят о том, что при взрыве массивной малометалличной звезды возникло мало элементов r-процесса, что заставляет усомниться в ключевой роли таких катаклизмов в генерации тяжелых элементов во Вселенной. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.

Одной из текущих проблем в астрофизике остается происхождение тяжелых элементов во Вселенной, особенно тех, которые образуются в результате быстрого захвата нейтронов атомным ядром (r-процесс). Есть надежные свидетельства в пользу того, что источником по крайней мере части элементов r-процесса являются слияния нейтронных звезд, сопровождаемые килоновой. Еще одним потенциальным источником таких элементов выступают коллапсирующие в аккрецирующую черную дыру ядра массивных звезд, рассматривается также идея слияния нейтронных звезд и первичных черных дыр.

Группа астрономов во главе с Питером Бланшаром (Peter K. Blanchard) из Северо-Западного университета опубликовала анализ с данных наблюдений за послесвечением длинного гамма-всплеска GRB 221009, ставшего ярчайшим за всю историю гамма-астрономии. Наблюдения велись при помощи инструментов NIRSpec и NIRCam космического телескопа «Джеймс Уэбб» через 168 и 170 дней после возникновения всплеска, использовались также данные наблюдений системы радиотелескопов ALMA и космического телескопа Swift.

GRB 221009 был обнаружен 9 октября 2022 года и возник в относительно близкой к нам (красное смещение z=0,151) галактике. Предполагается, что всплеск возник при коллапсе ядра массивной звезды, сопровождаемого возникновением джета и аккреционного диска вокруг новорожденного компактного объекта (модель коллапсара). Наблюдения за GRB 221009 выявили рентгеновское эхо и не нашли яркой ассоциированной сверхновой, а также объяснили необычную яркость при помощи структурированного и направленного на Землю джета.

Ученые нашли убедительные свидетельства излучения сверхновой в спектре послесвечения GRB 221009A, которая похожа на вспышку сверхновой SN 1998bw типа Ic, также сопровождавшуюся гамма-всплеском. Сверхновая не является сильно необычным представителем таких вспышек. Масса изотопа 56Ni, рожденного в ходе коллапса звезды, оценивается в 0,03–0,09 массы Солнца, что меньше, чем в случае SN 1998bw (0,3–0,7 массы Солнца). Сравнение моделей генерации r-элементов с данными наблюдений говорит в пользу магнитогидродинамической модели, в которой небольшое количество элементов r-процесса равномерно перемешаны по всему выброшенному веществу сверхновой, и маловероятно, что поток элементов r-процесса вносит значительный вклад в наблюдаемый спектр. Таким образом, вопрос о том, являются ли взрывы массивных звезд ключевыми источниками элементов r-процесса, остается открытым.

Что касается родительской галактики GRB 221009A, то она обладает эффективным радиусом 2,15 килопарсека, а источник всплеска находится на удалении 0,66 килопарсека от центра галактики. Звездная масса галактики оценивается в 10^9,61 масс Солнца, скорость звездообразования — в 0,17 массы Солнца в год. Галактика характеризуется низкой металличностью как звезд, так и газа, представляя собой рекордно малометалличную среду среди всех родительских галактики со сверхновыми-хозяевами гамма-всплесков.

Если также учесть, что было обнаружено излучение молекулярного водорода в зоне вблизи источника всплеска, который отслеживает плотные области звездообразования, то это говорит в пользу прародителя сверхновой как массивной звезды с низкой металличностью. Излучение водорода может возникать как за счет ударных волн, так и из-за флуоресценции. Это лишь второй случай регистрации такого излучения у сверхновых, связанных с длинными гамма-всплесками.

Ранее мы рассказывали о том, как самый яркий гамма-всплеск сильно возмутил верхнюю ионосферу Земли.