Zespół astronomów kierowany przez Northwestern University opracował najobszerniejszy jak dotąd spis galaktyk, z których pochodzą krótkie rozbłyski gamma (SGRB).
Korzystając z kilku bardzo czułych instrumentów i wyrafinowanego modelowania galaktyk, naukowcy zidentyfikowali galaktyczne domy 84 SGRB i zbadali charakterystykę 69 zidentyfikowanych galaktyk macierzystych. Wśród swoich odkryć odkryli, że około 85% badanych SGRB pochodzi z młodych, aktywnie gwiazdotwórczych galaktyk.
Astronomowie odkryli również, że więcej SGRB miało miejsce we wcześniejszych czasach, gdy Wszechświat był znacznie młodszy – i w większych odległościach od centrów ich galaktyk macierzystych – niż wcześniej sądzono. Co zaskakujące, kilka SGRB zostało zauważonych daleko poza swoimi galaktykami macierzystymi – jakby zostały „wyrzucone”, odkrycie, które rodzi pytania, w jaki sposób były w stanie podróżować tak daleko.
„Jest to największy katalog galaktyk macierzystych SGRB, jaki kiedykolwiek istniał, więc spodziewamy się, że będzie to złoty standard przez wiele nadchodzących lat” – powiedziała Anya Nugent, doktorantka z Northwestern, która kierowała badaniami skupionymi na modelowaniu galaktyk macierzystych. „Stworzenie tego katalogu i wreszcie posiadanie wystarczającej liczby galaktyk macierzystych, aby zobaczyć wzorce i wyciągnąć znaczące wnioski, jest dokładnie tym, czego potrzebowała ta dziedzina, aby poszerzyć naszą wiedzę na temat tych fantastycznych wydarzeń i tego, co dzieje się z gwiazdami po ich śmierci”.
Zespół opublikuje dwa artykuły szczegółowo opisujące nowy katalog. Oba artykuły zostaną opublikowane w poniedziałek 21 listopada w The Astrophysical Journal. Ponieważ SGRB należą do najjaśniejszych eksplozji we wszechświecie, zespół nazwał swój katalog BRIGHT (Broadband Repository for Investigating Gamma-ray burst Host Traits). Wszystkie dane i produkty do modelowania firmy BRIGHT są publicznie dostępne online do użytku społeczności.
Nugent jest absolwentem fizyki i astronomii w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern oraz członkiem Centrum Interdyscyplinarnych Eksploracji i Badań Astrofizyki (CIERA). Doradza jej Wen-fai Fong, adiunkt fizyki i astronomii w Weinberg oraz kluczowy członek CIERA, który prowadził drugie badanie skupione na obserwacjach gospodarza SGRB.
Punkt odniesienia dla przyszłych porównań
Kiedy zderzają się dwie gwiazdy neutronowe, generują one chwilowe błyski intensywnego promieniowania gamma, znane jako SGRB. Podczas gdy promienie gamma trwają zaledwie kilka sekund, światło optyczne może świecić godzinami, zanim opadnie poniżej poziomu wykrywalności (zdarzenie zwane poświatą). SGRB to jedne z najjaśniejszych eksplozji we wszechświecie, których każdego roku wykrywa się najwyżej tuzin. Obecnie stanowią jedyny sposób na badanie i zrozumienie dużej populacji łączących się układów gwiazd neutronowych.
Odkąd należące do NASA Neil Gehrels Swift Observatory po raz pierwszy odkryło poświatę SGRB w 2005 roku, astronomowie spędzili ostatnie 17 lat próbując zrozumieć, które galaktyki wytwarzają te potężne rozbłyski. Gwiazdy w galaktyce mogą dać wgląd w warunki środowiskowe potrzebne do wytworzenia SGRB i mogą powiązać tajemnicze rozbłyski z ich pochodzeniem łączenia się gwiazd neutronowych. Jak dotąd tylko jeden SGRB (GRB 170817A) ma potwierdzone pochodzenie łączenia się gwiazd neutronowych – ponieważ zostało wykryte zaledwie kilka sekund po tym, jak detektory fal grawitacyjnych zaobserwowały podwójne łączenie się gwiazd neutronowych (GW170817).
„Za dekadę następna generacja obserwatoriów fal grawitacyjnych będzie w stanie wykryć zderzenia gwiazd neutronowych z takich samych odległości, jak obecnie SGRB” – powiedział Fong. „W ten sposób nasz katalog posłuży jako punkt odniesienia do porównań z przyszłymi wykryciami łączenia się gwiazd neutronowych”.
„Katalog może naprawdę wywrzeć wpływ wykraczający poza jedną klasę transjentów, takich jak SGRB” – powiedział Yuxin „Vic” Dong, współautor badań i doktor astrofizyki. studentka Northwestern. „Dzięki bogactwu danych i wyników przedstawionych w katalogu wierzę, że wykorzystają go różne projekty badawcze, być może nawet w sposób, o którym jeszcze nie myśleliśmy”.
Wgląd w układy gwiazd neutronowych
Aby stworzyć katalog, naukowcy wykorzystali kilka bardzo czułych instrumentów w Obserwatorium WM Keck, Gemini Observatories, Observatory MMT, Large Binocular Telescope Observatory oraz Teleskopy Magellana w Obserwatorium Las Campanas, aby uchwycić głębokie obrazowanie i spektroskopię niektórych z najsłabszych galaktyk zidentyfikowane w badaniu gospodarzy SGRB. Zespół wykorzystał również dane z dwóch Wielkich Obserwatoriów NASA, Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i Kosmicznego Teleskopu Spitzera.
Przed tymi nowymi badaniami astronomowie scharakteryzowali galaktyki macierzyste na podstawie zaledwie kilkudziesięciu SGRB. Nowy katalog to czterokrotnie większa liczba istniejących próbek. Dzięki znacznie większemu zbiorowi danych katalog pokazuje, że galaktyki macierzyste SGRB mogą być albo młode i gwiazdotwórcze, albo stare i bliskie śmierci. Oznacza to, że układy gwiazd neutronowych tworzą się w szerokim zakresie środowisk, a wiele z nich ma szybkie skale czasowe od powstania do połączenia. Ponieważ fuzje gwiazd neutronowych tworzą ciężkie pierwiastki, takie jak złoto i platyna, dane z katalogu pogłębią również wiedzę naukowców na temat tego, kiedy we wszechświecie powstały metale szlachetne.
„Podejrzewamy, że młodsze SGRB, które znaleźliśmy w młodszych galaktykach macierzystych, pochodzą z podwójnych układów gwiezdnych, które powstały podczas „wybuchu” formacji gwiazd i są tak ściśle związane, że mogą bardzo szybko się łączyć” – powiedział Nugent. „Wieloletnie teorie sugerowały, że muszą istnieć sposoby szybkiego łączenia gwiazd neutronowych, ale do tej pory nie byliśmy świadkami ich istnienia. Znajdujemy dowody na istnienie starszych SGRB w znacznie starszych galaktykach i wierzymy, że gwiazdy w tych galaktyki albo potrzebowały więcej czasu na utworzenie układu podwójnego, albo były układem podwójnym, który był jeszcze bardziej rozdzielony. Dlatego ich połączenie trwało dłużej”.
Potencjał JWST
Dzięki możliwości wykrywania najsłabszych galaktyk macierzystych od bardzo wczesnych czasów we Wszechświecie, nowe flagowe obserwatorium NASA na podczerwień, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), jest gotowe do dalszego pogłębiania wiedzy na temat łączenia się gwiazd neutronowych i tego, jak daleko wstecz zachodzą zaczął się.
„Jestem najbardziej podekscytowany możliwością wykorzystania JWST do głębszego zbadania domów tych rzadkich, wybuchowych wydarzeń” – powiedział Nugent. „Zdolność JWST do obserwowania słabych galaktyk we wszechświecie może odkryć więcej galaktyk macierzystych SGRB, które obecnie unikają wykrycia, być może nawet ujawniając brakującą populację i związek z wczesnym wszechświatem”.
„Rozpocząłem obserwacje w ramach tego projektu 10 lat temu i bardzo się cieszę, że mogłem przekazać pochodnię następnemu pokoleniu badaczy” – powiedział Fong. „Jedną z największych radości w mojej karierze jest obserwowanie, jak lata pracy ożywają w tym katalogu, dzięki młodym naukowcom, którzy naprawdę przenieśli to badanie na wyższy poziom”.
Badania były wspierane przez National Science Foundation (numery nagród AST-1814782 i AST-2047919), David and Lucile Packard Foundation, Alfred P. Sloan Foundation oraz Research Corporation for Scientific Advancement.