Międzynarodowe Obserwatorium Gemini śledzi rozbłysk gamma w jądrze starożytnej galaktyki, co sugeruje, że gwiazdy mogą ulegać zderzeniom przypominającym zderzenia.
Astronomowie badający potężny rozbłysk gamma (GRB) za pomocą teleskopu Gemini South, obsługiwanego przez NOIRLab NSF, mogli wykryć nigdy wcześniej nie widziany sposób na zniszczenie gwiazdy. W przeciwieństwie do większości rozbłysków rozbłysk, które są powodowane przez wybuchy masywnych gwiazd lub przypadkowe łączenie się gwiazd neutronowych, astronomowie doszli do wniosku, że ten rozbłysk pochodzi raczej ze zderzenia gwiazd lub gwiezdnych pozostałości w zatłoczonym środowisku otaczającym supermasywną czarną dziurę w jądrze starożytna galaktyka.
Większość gwiazd we Wszechświecie umiera w przewidywalny sposób, w zależności od ich masy. Stosunkowo małomasywne gwiazdy, takie jak nasze Słońce, złuszczają swoje zewnętrzne warstwy na starość i ostatecznie blakną, stając się białymi karłami. Bardziej masywne gwiazdy płoną jaśniej i umierają wcześniej w kataklizmicznych eksplozjach supernowych, tworząc ultragęste obiekty, takie jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Jeśli dwie takie gwiezdne pozostałości utworzą układ podwójny, również mogą w końcu zderzyć się. Nowe badania wskazują jednak na od dawna hipotetyczną, ale nigdy wcześniej nie widzianą, czwartą opcję.
Poszukując źródeł długotrwałego rozbłysku gamma (GRB), astronomowie korzystający z teleskopu Gemini South w Chile, będącego częścią Międzynarodowego Obserwatorium Gemini obsługiwanego przez NOIRLab NSF, oraz innych teleskopów [1]odkryli dowody kolizji gwiazd lub gwiezdnych pozostałości w chaotycznym i gęsto upakowanym regionie w pobliżu supermasywnej czarnej dziury starożytnej galaktyki.
„Te nowe wyniki pokazują, że gwiazdy mogą spotkać swój koniec w niektórych z najgęstszych regionów Wszechświata, gdzie mogą zostać doprowadzone do zderzenia” – powiedział Andrew Levan, astronom z Radboud University w Holandii i główny autor artykułu, który ukazał się w czasopiśmie czasopismo Nature Astronomy. „To ekscytujące dla zrozumienia, w jaki sposób gwiazdy umierają i odpowiedzi na inne pytania, takie jak nieoczekiwane źródła mogą tworzyć fale grawitacyjne, które moglibyśmy wykryć na Ziemi”.
Starożytne galaktyki dawno minęły już okres formowania się gwiazd i pozostałoby niewiele, jeśli w ogóle, gigantycznych gwiazd, głównego źródła długich rozbłysków GRB. Jednak ich jądra pełne są gwiazd i menażerii ultragęstych pozostałości po gwiazdach, takich jak białe karły, gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Astronomowie od dawna podejrzewali, że w burzliwym roju aktywności wokół supermasywnej czarnej dziury zderzenie dwóch obiektów gwiezdnych i wytworzenie GRB będzie tylko kwestią czasu. Dowody na tego rodzaju fuzję były jednak nieuchwytne.
Pierwsze wskazówki, że takie zdarzenie miało miejsce, pojawiły się 19 października 2019 r., kiedy należące do NASA Neil Gehrels Swift Observatory wykryło jasny błysk promieni gamma, który trwał nieco ponad minutę. Każdy GRB trwający dłużej niż dwie sekundy jest uważany za „długi”. Takie rozbłyski zazwyczaj pochodzą z śmierci supernowej gwiazd o masie co najmniej 10 razy większej od naszego Słońca – ale nie zawsze.
Następnie naukowcy wykorzystali Gemini South do długoterminowych obserwacji zanikającej poświaty GRB, aby dowiedzieć się więcej o jej pochodzeniu. Obserwacje pozwoliły astronomom wskazać położenie GRB w regionie oddalonym o mniej niż 100 lat świetlnych od jądra starożytnej galaktyki, co umieściło go bardzo blisko supermasywnej czarnej dziury w galaktyce. Naukowcy nie znaleźli również dowodów na istnienie odpowiedniej supernowej, która pozostawiłaby swój ślad na świetle badanym przez Gemini South.
„Nasza kolejna obserwacja powiedziała nam, że zamiast zapadania się masywnej gwiazdy, wybuch był najprawdopodobniej spowodowany połączeniem dwóch zwartych obiektów” – powiedział Levan. „Wskazując jego lokalizację w centrum wcześniej zidentyfikowanej starożytnej galaktyki, otrzymaliśmy pierwszy kuszący dowód na nową ścieżkę, przez którą gwiazdy mogą spotkać się ze swoim upadkiem”.
Uważa się, że w normalnych środowiskach galaktycznych wytwarzanie długich GRB ze zderzających się pozostałości gwiezdnych, takich jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury, jest niezwykle rzadkie. Jądra starożytnych galaktyk nie są jednak normalne, a w obszarze o średnicy zaledwie kilku lat świetlnych może znajdować się milion lub więcej gwiazd. Tak ekstremalna gęstość zaludnienia może być na tyle duża, że mogą wystąpić sporadyczne kolizje gwiazd, zwłaszcza pod tytanicznym wpływem grawitacyjnym supermasywnej czarnej dziury, która zaburzałaby ruchy gwiazd i wysyłała je w losowych kierunkach. W końcu te krnąbrne gwiazdy przecięłyby się i połączyły, wywołując gigantyczną eksplozję, którą można było obserwować z ogromnych kosmicznych odległości.
Możliwe, że takie zdarzenia mają miejsce rutynowo w podobnie zatłoczonych regionach Wszechświata, ale do tej pory pozostawały niezauważone. Możliwym powodem ich niejasności jest to, że centra galaktyk są wypełnione pyłem i gazem, które mogą przesłaniać zarówno początkowy błysk GRB, jak i wynikającą z niego poświatę. Ten konkretny GRB, zidentyfikowany jako GRB 191019A, może być rzadkim wyjątkiem, pozwalającym astronomom wykryć rozbłysk i zbadać jego następstwa.
Naukowcy chcieliby odkryć więcej takich wydarzeń. Mają nadzieję, że połączą wykrywanie GRB z odpowiednim wykrywaniem fal grawitacyjnych, co ujawni więcej o ich prawdziwej naturze i potwierdzi ich pochodzenie, nawet w najbardziej mrocznym środowisku. Obserwatorium Vera C. Rubin, które zostanie uruchomione w 2025 r., będzie nieocenione w tego rodzaju badaniach.
„Badanie takich rozbłysków gamma jest doskonałym przykładem tego, w jaki sposób pole jest naprawdę rozwijane przez wiele współpracujących ze sobą obiektów, od wykrycia GRB, przez odkrycie poświaty i odległości za pomocą teleskopów takich jak Gemini, aż po szczegółową analizę wydarzeń z obserwacjami w całym spektrum elektromagnetycznym” – powiedział Levan.
„Te obserwacje wzbogacają bogate dziedzictwo Gemini, rozwijając naszą wiedzę na temat ewolucji gwiazd” – mówi Martin Still, dyrektor programowy NSF w Międzynarodowym Obserwatorium Gemini. „Obserwacje wrażliwe na czas są świadectwem zwinnych operacji Gemini i wrażliwości na odległe, dynamiczne wydarzenia we Wszechświecie”.