Odkryto dowody na powstawanie ciężkich pierwiastków w procesach r z połączenia gwiazd neutronowych w galaktykach karłowatych.
Formowanie najcięższych pierwiastków
Zrozumienie pochodzenia pierwiastków stanowi jeden z głównych celów badań astronomicznych. W ostatnich latach dokonano znacznego postępu w tej dziedzinie, głównie dzięki odkryciu fuzji gwiazd neutronowych w 2017 roku. Gwiazdy neutronowe są gęstymi pozostałościami po masywnych gwiazdach, które zakończyły swój żywot w spektakularnej eksplozji. Te kosmiczne obiekty są pełne neutronów i utrzymują się głównie dzięki ciśnieniu degeneracji neutronowej, czyli siłom oddziałującym między neutronami zbliżonymi do siebie. Neutrony odgrywają kluczową rolę w procesie tworzenia ciężkich pierwiastków w tzw. procesie r, gdzie są one „szybko” wychwytywane przez jądra atomowe, co prowadzi do powstania ciężkich pierwiastków. Naturalnym miejscem dla tego procesu są zderzenia dwóch jąder atomowych, co zaobserwowano zarówno w falach grawitacyjnych, jak i promieniach gamma w zdarzeniu oznaczonym jako GW170817.
GW170817 to zdarzenie, które zadziwiło astronomów, umożliwiając im powiązanie pochodzenia krótkich rozbłysków gamma (sGRB) z łączeniem się gwiazd neutronowych. Rozbłyski gamma (GRB) to krótkotrwałe wybuchy emisji promieniowania gamma występujące w dwóch różnych odmianach. Długie GRB, stanowiące około 70% wszystkich GRB, zazwyczaj trwają dłużej niż 2 sekundy i są uważane za związane z tworzeniem się strumieni podczas śmierci niektórych masywnych gwiazd. Z kolei krótkie GRB trwają zwykle krócej niż 2 sekundy i przez długi czas uważano, że są związane z fuzjami gwiazd neutronowych, nawet przed potwierdzeniem GW170817. Niemniej jednak GW170817 nie rozwiązało wszystkich kosmicznych zagadek. Na przykład zdarzenie to zostało zaobserwowane w starej, pasywnej galaktyce, podczas gdy istnieją inne miejsca we Wszechświecie, w których obserwuje się znaczące pierwiastki powstałe w procesie r, takie jak galaktyki karłowate. Autorzy artykułu postanowili zrozumieć, czy sGRB mogą być związane z galaktykami karłowatymi i gdzie fuzje gwiazd neutronowych napędzają procesy r w tych układach.
Trudne zadanie – badanie najsłabszych galaktyk
Poprzednie badania dotyczące galaktyk, w których występują sGRB, nie były w stanie zbadać najmniejszych galaktyk ze względu na bardzo ograniczone dane obserwacyjne. Jednym z najtrudniejszych problemów jest rozróżnienie, czy te słabe galaktyki są naturalnie słabe (jak galaktyki karłowate o niskiej masie gwiazdowej), czy też są normalnymi galaktykami, które po prostu znajdują się bardzo daleko. W przypadku 11 najsłabszych galaktyk macierzystych sGRB, autorzy zastosowali nowe techniki, aby rozwiązać ten problem.
Aby oddzielić odległość galaktyk macierzystych (określoną jako przesunięcie ku czerwieni) od ich masy (wyrażonej jako masa gwiazdowa, czyli łączna masa wszystkich gwiazd w danej galaktyce), autorzy dopasowali dane z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, Very Large Telescope i Spitzera za pomocą nowych, wyrafinowanych modeli. Wykorzystują oni dwie nowe techniki, które zostały specjalnie opracowane do obsługi bardzo ograniczonych i zaszumionych zestawów danych. Pierwsza nowa technika dotyczy analizy bayesowskiej, która opiera się na wiedzy wcześniej pochodzącej zarówno z teorii, jak i obserwacji, co zasadniczo lepiej ogranicza ich wyniki do rozsądnych wartości fizycznych. Drugą innowacyjną techniką jest uwzględnienie informacji o rozmiarze galaktyki w modelowaniu. Wykazano, że galaktyki wykazują zależność między swoją masą a rozmiarem, dlatego autorzy odkryli, że uwzględnienie informacji o rozmiarze galaktyki pozwala uzyskać lepsze ograniczenia dotyczące masy gwiazdowej i przesunięcia ku czerwieni niż przy użyciu tylko danych dotyczących strumienia!
Na zakończenie autorzy przeprowadzili także sprawdzenie, czy te sGRB były wyjątkowe w porównaniu z resztą próbki. Nie ma dowodów na jakiekolwiek różnice we właściwościach poświat, które pojawiają się, gdy strumień oddziałuje z otaczającym go ośrodkiem. Stwierdzono jednak, że sGRB w tych galaktykach karłowatych występują w mniejszych odległościach od galaktyk macierzystych w porównaniu do całej populacji. Może to być spowodowane mniejszymi „kopnięciami” – szybkością, z jaką powstały zwarty obiekt jest wyrzucany podczas eksplozji, która go tworzy – niż wcześniej oczekiwano, co utrzymuje powstałe pierwiastki podwójne i powstałe w procesach r w obrębie galaktyki karłowatej. Jest to pierwszy dowód na to, że fuzje gwiazd neutronowych mogą zachodzić w galaktykach karłowatych i wzbogacać swoje galaktyki macierzyste w silne pierwiastki procesu r, co dobrze zgadza się z obecnymi obserwacjami galaktyk karłowatych wzbogaconych w proces r.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Evidence for Rrrrr-process from Neutron Star Mergers in Dwarf Galaxies
- A Population of Short-duration Gamma-ray Bursts with Dwarf Host Galaxies
Źródło: Astrobites
Na ilustracji: Krótkie rozbłyski gamma w galaktykach macierzystych w kosmicznym czasie. Źródło: W.M. Keck Observatory/Adam Makarenko
