Wybuchowa fuzja gwiazd neutronowych uchwycona po raz pierwszy w świetle milimetrowym
Naukowcy używający Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – międzynarodowego obserwatorium współpracującego z National Science Foundation’s National Radio Astronomy Observatory (NRAO) – po raz pierwszy zarejestrowali światło o długości fal milimetrowych pochodzące z ognistej eksplozji spowodowanej połączeniem gwiazdy neutronowej z inną gwiazdą. Zespół potwierdził również, że ten błysk światła jest jednym z najbardziej energetycznych krótkotrwałych wybuchów promieniowania gamma, jakie kiedykolwiek zaobserwowano, pozostawiając po sobie jeden z najjaśniejszych poświat w historii. Wyniki badań zostaną opublikowane w nadchodzącym wydaniu The Astrophysical Journal Letters.
Wybuchy promieniowania gamma (GRB) są najjaśniejszymi i najbardziej energetycznymi eksplozjami we Wszechświecie, zdolnymi do wyemitowania w ciągu kilku sekund więcej energii niż nasze Słońce wyemituje w ciągu całego swojego życia. GRB 211106A należy do podklasy GRB znanej jako krótkotrwałe wybuchy promieniowania gamma. Wybuchy te — które zdaniem naukowców są odpowiedzialne za powstanie najcięższych pierwiastków we Wszechświecie, takich jak platyna i złoto — powstają w wyniku katastrofalnej fuzji układów podwójnych gwiazd zawierających gwiazdę neutronową. „Te fuzje zachodzą z powodu promieniowania fal grawitacyjnych, które usuwa energię z orbit gwiazd podwójnych, powodując, że gwiazdy spiralnie zbliżają się do siebie” – powiedział Tanmoy Laskar, który wkrótce rozpocznie pracę jako adiunkt fizyki i astronomii na Uniwersytecie w Utah. „Powstałej eksplozji towarzyszą dżety poruszające się z prędkością bliską prędkości światła. Kiedy jeden z tych dżetów jest skierowany w stronę Ziemi, obserwujemy krótki impuls promieniowania gamma lub GRB o krótkim czasie trwania.”
Krótkotrwały GRB trwa zwykle tylko kilka dziesiątych sekundy. Naukowcy szukają wtedy afterglow, czyli emisji światła spowodowanej oddziaływaniem dżetów z otaczającym je gazem. Mimo to, są one trudne do wykrycia; tylko pół tuzina krótkoczasowych GRB zostało wykrytych na falach radiowych, a do tej pory żaden nie został wykryty na falach milimetrowych. Laskar, który prowadził badania będąc stypendystą Excellence na Uniwersytecie Radboud w Holandii, powiedział, że trudność polega na ogromnej odległości do GRB oraz możliwościach technologicznych teleskopów. „Krótkotrwałe powidoki GRB są bardzo jasne i energetyczne. Ale te wybuchy mają miejsce w odległych galaktykach, co oznacza, że światło z nich może być dość słabe dla naszych teleskopów na Ziemi. Przed ALMA, teleskopy milimetrowe nie były wystarczająco czułe, aby wykryć te poświaty.”
Wystąpiwszy w czasie, gdy Wszechświat był zaledwie w 40 procentach swojego obecnego wieku, GRB 211106A nie jest wyjątkiem. Światło z tego krótkotrwałego wybuchu promieniowania gamma było tak słabe, że choć wczesne obserwacje rentgenowskie z Neil Gehrels Swift Observatory NASA dostrzegły eksplozję, galaktyka-gospodarz była niewykrywalna na tej długości fali, a naukowcy nie byli w stanie określić, skąd dokładnie pochodziła eksplozja. „Światło afterglow jest niezbędne do ustalenia, z jakiej galaktyki pochodzi wybuch i do dowiedzenia się więcej o samym wybuchu. Początkowo, gdy odkryto tylko odpowiednik w promieniowaniu X, astronomowie myśleli, że ten wybuch może pochodzić z pobliskiej galaktyki” – powiedział Laskar, dodając, że znaczna ilość pyłu w okolicy również przesłoniła obiekt przed wykryciem w obserwacjach optycznych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.
Każda długość fali dodała nowy wymiar do zrozumienia GRB przez naukowców, a milimetr, w szczególności, był krytyczny dla odkrycia prawdy o wybuchu. „Obserwacje Hubble’a ujawniły niezmienne pole galaktyk. Niezrównana czułość ALMA pozwoliła nam z większą precyzją wskazać położenie GRB w tym polu i okazało się, że znajduje się on w innej słabej galaktyce, która jest dalej. To z kolei oznacza, że ten krótkotrwały wybuch promieniowania gamma jest jeszcze potężniejszy niż początkowo sądziliśmy, co czyni go jednym z najbardziej jasnych i energetycznych w historii,” powiedział Laskar.
Wen-fai Fong, adiunkt fizyki i astronomii na Northwestern University dodał: „Ten krótki wybuch promieniowania gamma był pierwszym przypadkiem, kiedy próbowaliśmy zaobserwować takie zdarzenie za pomocą ALMA. Pochodnie krótkich wybuchów są bardzo trudne do znalezienia, dlatego spektakularne było uchwycenie tego zdarzenia świecącego tak jasno. Po wielu latach obserwacji tych wybuchów, to zaskakujące odkrycie otwiera nowy obszar badań, ponieważ motywuje nas do obserwacji wielu innych takich zjawisk za pomocą ALMA i innych zestawów teleskopów w przyszłości.”
Joe Pesce, National Science Foundation Program Officer for NRAO/ALMA powiedział: „Te obserwacje są fantastyczne na wielu poziomach. Dostarczają więcej informacji, które pomogą nam zrozumieć enigmatyczne wybuchy promieniowania gamma (i astrofizykę gwiazd neutronowych w ogóle), a także pokazują, jak ważne i komplementarne są obserwacje wielopoziomowe za pomocą teleskopów kosmicznych i naziemnych w zrozumieniu zjawisk astrofizycznych.”
Jest jeszcze wiele do zrobienia na różnych długościach fal, zarówno w przypadku nowych GRB, jak i GRB 211106A, co może odkryć dodatkowe niespodzianki dotyczące tych wybuchów. „Badanie krótko trwających GRB wymaga szybkiej koordynacji teleskopów na całym świecie i w przestrzeni kosmicznej, działających na wszystkich długościach fal” – powiedział Edo Berger, profesor astronomii na Uniwersytecie Harvarda i badacz w Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian. „W przypadku GRB 211106A użyliśmy jednych z najpotężniejszych dostępnych teleskopów – ALMA, National Science Foundation’s Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), NASA’s Chandra X-ray Observatory oraz Hubble Space Telescope. Dzięki obecnie działającemu Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba (JWST) oraz przyszłym 20-40 metrowym teleskopom optycznym i radiowym, takim jak VLA nowej generacji (ngVLA) będziemy w stanie stworzyć kompletny obraz tych kataklizmów i badać je w niespotykanych dotąd odległościach.”
Laskar dodał: „Dzięki JWST możemy teraz wykonać widmo galaktyki-gospodarza i łatwo poznać odległość, a w przyszłości moglibyśmy również użyć JWST do przechwycenia podczerwonych poświat i zbadania ich składu chemicznego. Dzięki ngVLA będziemy w stanie zbadać geometryczną strukturę pojaśnień i paliwa gwiazdotwórczego znajdującego się w ich środowisku macierzystym z niespotykaną dotąd szczegółowością. Jestem podekscytowany tymi nadchodzącymi odkryciami w naszej dziedzinie”.
Źródło: National Radio Astronomy Observatory