Na bazie obserwacji optycznych błysków gamma (GRB) odkryto nową korelację, która może być kluczem do wykorzystania błysków gamma w charakterze kosmologicznych wskaźników odległości – nowych świec standardowych.
Emisja plateau, charakterystyka obserwacyjna występująca powszechnie w danych rentgenowskich zbieranych dla błysków gamma, była w ostatnich latach przedmiotem wielu badań. Ta cecha pojawia się już po początkowej fazie „szybkiej emisji” GRB, po której następuje stopniowe zanikanie poświaty rentgenowskiej i całego błysku. Najbardziej interesującymi cechami emisji plateau są jej jasność i czas, w którym faza ta dobiega końca. Parametry te składają się na korelację jasność-czas obserwowaną w zakresie rentgenowskim, zgodnie z którą w przestrzeni logarytm-logarytm zachodzi też antykorelacja pomiędzy jasnością a czasem końca emisji plateau GRB (Dainotti et al. 2008). Astronomki Maria Dainotti i Samantha Livermore, zaintrygowane niezmienną naturą tej korelacji, w nowej pracy dowodzą, że korelacja jasność-czas obowiązuje również dla obserwacji optycznych błysków gamma, co rozszerza jej implikacje fizyczne na dalsze obszary widma elektromagnetycznego.
Na bazie obserwacji optycznych błysków gamma (GRB) odkryto nową korelację, która może być kluczem do wykorzystania błysków gamma w charakterze kosmologicznych wskaźników odległości – nowych świec standardowych. Pracująca pod kierunkiem dr Dainotti (absolwentki KIPAC, obecnie adiunkta na Uniwersytecie Jagiellońskim i badacza w RIKEN iTHEMs w Japonii oraz Space Science Institute) Livermore (studentka fizyki na Tufts University) badała „emisję plateau” widoczną w obserwacjach optycznych GRB podczas swojego letniego stażu w SLAC National Accelerator Laboratory oraz na Uniwersytecie Stanforda w ramach programu Science Undergraduate Laboratory Internships (SULI) latem 2020 roku. Prace te były następnie kontynuowane w pracy magisterskiej Livermore.
Dainotti i Livermore współpracowały z dużym zespołem obejmującym naukowców z USA, Europy, Meksyku i Australii. Pozwoliło to na zebranie reprezentatywnej próbki danych oraz ich rygorystyczną analizę statystyczną. Te badania, będące kontynuacją wcześniejszych prac dr Dainotti nad emisją plateau GRB, objęły największą próbkę optycznych obserwacji plateau w dotychczasowej literaturze naukowej. Wyniki uczonych zostały zaakceptowane do publikacji w Astrophysical Journal Letters.
Emisja plateau, charakterystyka obserwacyjna występująca powszechnie w danych rentgenowskich zbieranych dla błysków gamma, była w ostatnich latach przedmiotem wielu badań. Ta cecha pojawia się już po początkowej fazie „szybkiej emisji” GRB, po której następuje stopniowe zanikanie poświaty rentgenowskiej i całego błysku. Najbardziej interesującymi cechami emisji plateau są jej jasność i czas, w którym faza ta dobiega końca. Parametry te składają się na korelację jasność-czas obserwowaną w zakresie rentgenowskim, zgodnie z którą w przestrzeni logarytm-logarytm zachodzi też antykorelacja pomiędzy jasnością a czasem końca emisji plateau GRB (Dainotti et al. 2008). Zależność ta została przetestowana pod kątem błędów selekcji we współpracy z profesorem Petrosianem z Uniwersytetu Stanforda. Dainotti i Livermore, zaintrygowane niezmienną naturą tej korelacji, w swej nowej pracy dowodzą, że korelacja jasność-czas obowiązuje również dla obserwacji optycznych błysków gamma, co rozszerza jej implikacje fizyczne na dalsze obszary widma elektromagnetycznego.
Zespół zbadał 267 optycznych krzywych zmian blasku GRB (pochodzących głównie z obserwatorium kosmicznego Swift Neila Gehrelsa) i odkrył, że 102 z nich miało dobrze zdefiniowane plateau, dopasowując te krzywe do modelu fenomenologicznego znanego jako model Willingale'a. Po zidentyfikowaniu tych plateau zebrano do dalszej, szczegółowej analizy statystycznej parametry zależności jasność optyczna-czas dla każdego z tych GRB. Po sporządzeniu wykresu dla tych danych z całej próbki okazało się, że korelację jasność-czas można również znaleźć dla danych fazy plateau obserwowanej w świetle widzialnym (wcześniej wykazano ją jedynie dla fal rentgenowskich). Korelacja ta ma wyraźne nachylenie o wartości rzędu -1 na wykresie logarytmu jasności optycznej w funkcji logarytmu czasu końca fazy plateau. Oznacza to, że im jaśniejsze jest takie optyczne plateau, tym krótszy jest jego czas trwania. Nachylenie korelacji bliskie -1 dodatkowo potwierdza, że faza plateau ma swój stały rezerwuar energii, niezależny od klasy danego GRB, a jego możliwym wyjaśnieniem może być model magnetara. Źródłem obserwowanego rozrzutu tej korelacji może być z fizycznego punktu widzenia zarówno mechanizm energetyczny odpowiadający za pojawienie się danego plateau, jak i czynniki czysto instrumentalne.
Wykres 1. Korelacja jasność optyczna-czas dla błysków gamma w przestrzeni logarytmicznej. Źródło: Publikacja zespołu
Ale znana już wcześniej korelacja rentgenowska nie tylko została teraz odtworzona w obserwacjach optycznych. Stwierdzono również, że korelacja ta obowiązuje i jest stała nawet dla bardzo różnych podpróbek GRB. Gdy 102 badane błyski gamma podzielono według klasyfikacji i nachylenia krzywej plateau, korelacja nie zmieniała się znacząco, co wskazuje na to, że zachodzi ona także dla silnie zróżnicowanej populacji GRB.
Oznacza to, że rezerwuar energii GRB jest stały podczas emisji plateau, co pomaga astrofizykom w ujednolicaniu cech fizycznych dla dużej, zróżnicowanej populacji zdarzeń GRB. Standaryzacja grup GRB w celu wykorzystania ich niesamowitej jasności w charakterze świec standardowych jest niezwykle interesującym, ale i trudnym zadaniem. GRB obserwuje się aż do odległości odpowiadających przesunięciom ku czerwieni z ~8,2, co czyni je atrakcyjnymi obiektami kosmicznymi do wykorzystania jako kosmologiczne wskaźniki odległości, ponieważ sięgają one dalej w przeszłość niż nasze obecne najpopularniejsze odległe świece standardowe: supernowe typu Ia (obserwowane aż do przesunięć z < 2,3).
Problem w tym, że GRB różnią się między sobą pod względem czasu trwania, jasności, źródła i cech morfologicznych. Aby faktycznie można było ich użyć do pomiaru odległości we Wszechświecie, musimy lepiej zrozumieć mechanizmy odpowiedzialne za ich emisję i znaleźć te cechy, które jednoczą ich większą populację. Dlatego tak ważne jest potwierdzenie istnienia korelacji jasność-czas dla optycznych plateau błysków gamma. Bliższe przyjrzenie się zależnościom między różnymi obserwowanymi parametrami plateau pomaga zdefiniować wewnętrzne wzorce, które mogą ujednolicić całą populację GRB.
Wykres 2. Histogramy czasów końca fazy plateau w dziedzinie optycznej i rentgenowskiej. Źródło: Publikacja zespołu
Poza tą „główną” korelacją badania ujawniły też inny związek pomiędzy obserwacjami optycznymi i rentgenowskimi GRB: czas spoczynkowy końca fazy plateau. Zgodnie ze standardowym testem t, czyli statystyczną miarą podobieństwa dwóch rozkładów, końcowe czasy plateau w obserwacjach optycznych nie różnią się znacząco od tych samych czasów dla odpowiadających im danych rentgenowskich, co dobrze obrazuje Wykres 2. Czas, w którym kończy się emisja plateau, jest zatem achromatyczny, czyli niezależny od reżimu elektromagnetycznego, w którym go obserwujemy. To bardzo obiecujące, jeśli ta cecha plateau, możliwa cecha mająca posłużyć do standaryzacji populacji GRB, jest achromatyczna względem danych rentgenowskich i optycznych, czyli dwóch długości fal, na których obserwuje się większość plateau. Analiza ta może dotyczyć także szerszego kontekstu achromatyczności plateau, ponieważ niektóre przypadki plateau zostały zaobserwowane przez teleskop Fermi-LAT także w wysokoenergetycznych promieniach gamma (Ajello et al. 2019).
Najważniejszym odkryciem jest jednak to, że „złota próbka”, zdefiniowana jako podgrupa GRB z prawie płaskimi fazami plateau, wykazuje mniejszy rozrzut punktów pomiarowych wokół prostej najlepszego dopasowania korelacji. Rozrzut ten jest aż o 52.4% mniejszy niż ten sam rozrzut dla przypadku całej próbki błysków gamma. Zespołowi udało się zatem uzyskać mniejszy rozrzut cech GRB, biorąc pod uwagę krzywe blasku należące już do samej złotej próbki.
Czytaj więcej:
- Oryginalna publikacja: The Optical Luminosity-Time Correlation for More Than 100 Gamma-Ray Burst Afterglows — NASA/ADS (harvard.edu)
- Astronomiczny Obiekt Miesiąca AO UJ - Nowa korelacja jasność optyczna-czas dla 100 błysków gamma
- Rozbłyski gamma związane z kilonowymi: zasadzka na nowe świece standardowe
- Dostrzeganie odległej poświaty rozbłysku gamma
- Czy udało się rozwiązać zagadkę powstawania rozbłysków gamma?
Źródło: OAUJ/RIKEN/SLAC/SULI
Opracowanie: Maria G. Dainotti, Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Zielone kropki to lokalizacje 186 błysków gamma zaobserwowanych przez teleskop Fermi LAT. Najciekawsze błyski gamma są dodatkowo wyróżnione. Tło to mapa stworzona na podstawie danych Fermi z dziewięciu lat, ukazująca całe niebo w promieniowaniu gamma o energiach powyżej 10 miliardów elektronowoltów. Płaszczyzna Drogi Mlecznej przebiega przez sam jej środek Źródło: NASA/DOE/Fermi LAT.
