Poszukując źródeł potężnego rozbłysku gamma (GRB), międzynarodowy zespół astrofizyków mógł natknąć się na nowy sposób niszczenia gwiazd.
Mimo że większość rozbłysków gamma (GRB) powstaje w wyniku eksplozji masywnych gwiazd lub fuzji gwiazd neutronowych, naukowcy doszli do wniosku, że GRB 191019A powstał wskutek zderzenia gwiazd lub pozostałości gwiezdnych w gęstym środowisku otaczającym supermasywną czarną dziurę w jądrze starożytnej galaktyki. To środowisko, przypominające pozostałości po rozbiórce, wskazuje na dawno temu zakładany – lecz nigdy wcześniej nieobserwowany – sposób zniszczenia gwiazdy i generowania GRB.
Wyniki badań zostały opublikowane 22 czerwca 2023 roku w czasopiśmie Nature Astronomy.
Na każde sto zdarzeń, które pasują do tradycyjnego schematu klasyfikacji rozbłysków gamma, przypada co najmniej jeden dziwny przypadek, który wprawia nas w zakłopotanie – powiedział Wen-fai Fong, astrofizyk z Northwestern i współautor badania. Jednak to właśnie te dziwne przypadki mówią nam najwięcej o spektakularnej różnorodności eksplozji, do których zdolny jest Wszechświat.
Odkrycie tych niezwykłych zjawisk w gęstych układach gwiezdnych, zwłaszcza tych otaczających supermasywne czarne dziury w jądrach galaktyk, jest niezaprzeczalnie ekscytujące – powiedział Giacomo Fragione, astrofizyk z Northwestern i współautor badania. To niezwykłe odkrycie daje nam kuszące spojrzenie na skomplikowaną dynamikę działającą w tych kosmicznych środowiskach, czyniąc je fabrykami zdarzeń, które w innym przypadku zostałyby uznane za niemożliwe.
Większość gwiazd kończy swoje życie na jeden z trzech przewidywalnych sposobów, zależnie od swojej masy. Gwiazdy o stosunkowo niskiej masie, takie jak nasze Słońce, gdy osiągają podeszły wiek, odrzucają swoje zewnętrzne warstwy, a na skutek tego przemieniają się w białe karły. Gwiazdy o większej masie płoną jaśniej i wybuchają w kataklizmicznych eksplozjach supernowych, tworząc bardzo gęste obiekty, takie jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Trzeci scenariusz występuje, gdy dwie takie pozostałości gwiazdowe tworzą układ podwójny i ostatecznie zderzają się ze sobą.
Nowe badanie pokazuje jednak, że może istnieć czwarta opcja.
Nasze wyniki pokazują, że gwiazdy mogą spotkać się ze śmiercią w niektórych z najgęstszych regionów Wszechświata, gdzie mogą zostać doprowadzone do zderzenia – powiedział główny autor pracy Anderw Levan, astronom Uniwersytetu Radboud. To ekscytujące dla zrozumienia, w jaki sposób gwiazdy umierają i odpowiedzi na inne pytania, takie jak to, jakie nieoczekiwane źródła mogą wytwarzać fale grawitacyjne, które moglibyśmy wykryć na Ziemi.
Starożytne galaktyki, które czasy świetności mają już dawno za sobą, posiadają niewiele, jeżeli w ogóle, masywnych gwiazd. Ich jądra są jednak pełne gwiazd i menażerii bardzo gęstych pozostałości gwiezdnych, takich jak białe karły, gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Astronomowie od dawna podejrzewali, że w burzliwym ulu aktywności otaczającym supermasywną czarną dziurę, zderzenie dwóch obiektów gwiazdowych w celu wytworzenia GRB byłoby tylko kwestią czasu. Jednak dowody na tego typu zderzenia pozostawały nieuchwytne.
19 października 2019 roku astronomowie zaobserwowali pierwsze oznaki takiego zdarzenia, gdy obserwatorium Swift wykryło jasny błysk promieniowania gamma, który trwał nieco ponad minutę. Każdy GRB trwający dłużej niż dwie sekundy jest uważany za długi. Takie rozbłyski zazwyczaj powstają w wyniku zapadania się gwiazd o masie co najmniej 10 razy większej od naszego Słońca.
Następnie naukowcy wykorzystali teleskop Gemini South w Chile aby przeprowadzić długoterminowe obserwacje związane z zanikającą poświatą GRB.
Dzięki tym obserwacjom astronomowie mogli zidentyfikować położenie GRB w regionie, który jest oddalony o mniej niż 100 lat świetlnych od jądra starożytnej galaktyki – bardzo blisko jej supermasywnej czarnej dziury. Co interesujące, badacze nie znaleźli również żadnych dowodów na istnienie odpowiadającej mu supernowej, która pozostawiłaby swój ślad w świetle zarejestrowanym przez Gemini South.
Jillian Rastinejad, członkini grupy badawczej, która przeprowadziła obliczenia w celu sprawdzenia obecności supernowej towarzyszącej długiemu GRB 191019A, wyjaśnia, że brak takiej supernowej wskazuje na to, że ten rozbłysk nie jest typowym wynikiem zapadnięcia się masywnej gwiazdy. Lokalizacja GRB 191019A w jądrze macierzystej galaktyki sugeruje podejrzewaną, lecz jeszcze niepotwierdzoną teorię dotyczącą powstawania źródeł emitujących fale grawitacyjne.
W typowych środowiskach galaktycznych występowanie długich rozbłysków gamma spowodowanych kolizjami gwiazdowych pozostałości, takich jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury, jest bardzo rzadkie. Jednak jądra starożytnych galaktyk nie są zwykłe. W obszarze o średnicy zaledwie kilku lat świetlnych może znajdować się milion lub więcej gwiazd. To niezwykle gęste skupisko gwiazd może prowadzić do sporadycznych kolizji, szczególnie pod wpływem ogromnej grawitacji supermasywnej czarnej dziury, która zaburza ruchy gwiazd i wysyła je w różnych kierunkach. W końcu te nieposłuszne gwiazdy przecięłyby swoje trajektorie i dochodziłoby do ich połączenia, co wywoływałoby gigantyczną eksplozję możliwą do obserwacji z ogromnych odległości kosmicznych.
Praktycznie wszystkie nasze oczekiwania dotyczące środowiska zarówno krótkich, jak i długich GRB są podważone przez to zdarzenie – powiedziała Anya Nugent, badaczka odpowiedzialna za kluczowe modelowanie galaktyki macierzystej. Dotychczas nie obserwowano długich GRB w galaktykach tak starych i pozbawionych życia, jak ta, która jest gospodarzem GRB 191019A. Z kolei krótkie GRB, wynikające z połączeń, nie były wcześniej uważane za tak ściśle powiązane z jądrami swoich galaktyk macierzystych. Odkrycie tego zjawiska w jądrze starej, spokojnej galaktyki otwiera nowe, obiecujące możliwości dotyczące formowania się układów podwójnych, które dotychczas były rzadko obserwowane.
Możliwe, że takie zdarzenia rutynowo występują w podobnie zatłoczonych regionach we Wszechświecie, ale dotychczas pozostawały one niezauważone. Możliwym powodem ich ukrycia jest to, że centra galaktyk są pełne pyłu i gazu, które mogą przesłaniać zarówno początkowy błysk gamma, jak i wynikającą z niego poświatę. Jednak GRB 191019A może stanowić rzadki wyjątek, umożliwiający astronomom wykrycie rozbłysku i dokładne zbadanie jego następstw.
Chociaż to zdarzenie jest pierwszym tego typu odkrytym, możliwe, że jest ich więcej, skrytych za dużymi ilościami pyłu w pobliżu ich galaktyk – powiedział Fong. Rzeczywiście, jeżeli to długotrwałe zdarzenie pochodzi z łączenia się zwartych obiektów, przyczynia się ono do rosnącej populacji GRB, które wymykają się naszym tradycyjnym klasyfikacjom.
Naukowcy pracujący nad odkryciem większej liczby takich zdarzeń mają nadzieję dopasować detekcję rozbłysków gamma do odpowiedniej detekcji fal grawitacyjnych. To połączenie pozwoliłoby na uzyskanie większej ilości informacji na temat prawdziwej natury tych zjawisk oraz potwierdzenie ich pochodzenia – nawet w najbardziej ekstremalnych środowiskach.
Więcej informacji:
- Stellar demolition derby births powerful gamma-ray burst
- A long-duration gamma-ray burst of dynamical origin from the nucleus of an ancient galaxy
Źródło: Northwestern
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Wizja artystyczna rozbłysku gamma. Źródło: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick/M. Zamani
