Przejdź do treści

Różnorodność rozbłysków gamma w trzech wymiarach

GRB150101B

Efektywne narzędzie do badań i klasyfikowania rozbłysków gamma (ang. gamma-ray bursts, GRBs), pozwalające na ich wykorzystanie w charakterze wyznaczników historii ekspansji Wszechświata, zostało zaprezentowane przez międzynarodowy zespół naukowy kierowany przez dr Marię Dainotti (Uniwersytet Jagielloński w Krakowie, Chrétienne Fellow, Uniwersytet Stanforda). Praca na ten temat ukazała się w Astrophysical Journal. Stanowi ona analizę statystyczną właściwości tych wciąż tajemniczych rozbłysków, mającą na celu wyselekcjonowanie istniejących podgrup GRB i określenie ich fizycznego pochodzenia.

Błyski gamma to najsilniejsze znane nam dziś  zjawiska obserwowane w dziedzinie wysokich energii. Mogą one trwać od kilku sekund do kilku godzin, a podczas ich krótkiej fazy charakteryzującej się bardzo silną emisją promieniowania gamma emitowana jest ogromna ilość energii, porównywalna z energią, jaką Słońce produkuje podczas całego swego życia. Sprawia to, że rozbłyski gamma są możliwe do wykrycia nawet na tak dużych odległościach kosmologicznych, że ich światło zaczęło podróżować w naszym kierunku jeszcze wówczas, gdy Wszechświat miał zaledwie jedną tysięczną swego obecnego rozmiaru. Choć są one obserwowane od dziesięcioleci, wciąż wiemy niewiele o odpowiadających za nie mechanizmach fizycznych. Nie brak jednak pomysłów na ich możliwe źródła - wskazuje się tu między innymi wybuchy najbardziej masywnych gwiazd, łączenie się ze sobą gwiazd neutronowych, czy efekty związane z ruchem obrotowym masywnych gwiazd z silnym polem magnetycznym.

Ale duże zainteresowanie rozbłyskami gamma nie wynika tylko z potrzebą wyjaśnienia ich pochodzenia. Ponieważ można je wykrywać już w bardzo wczesnych epokach kosmologicznych - wcześniejszych niż dla obserwowanych supernowych - możliwość ustalenia ich dokładnej charakterystyki fizycznej, a w szczególności rzeczywistej jasności każdego zaobserwowanego GRB z osobna, pozwala na prześledzenie wstecz historii ekspansji Wszechświata - do znacznie bardziej odległych w czasie epok kosmologicznych niż dotychczas.

Dr Maria Dainotti z Uniwersytetu Jagiellońskiego (pracująca wówczas także w ramach grantu Marie Curie Program, finansowanego przez European Union Seventh Framework Program) wraz ze swym zespołem wykazała, że biorąc pod uwagę dokładne dane obserwacyjne dla mniej energetycznej, ale znacznie dłużej trwającej fazy plateau poświaty promieni rentgenowskich można wyróżnić podgrupę tak zwanych długich rozbłysków gamma - tak, że pomiędzy czasem trwania fazy poświaty rentgenowskiej, jej jasnością oraz jasnością natychmiastowej (szybkiej) fazy promieniowania gamma zachodzą ścisłe powiązania. Taka trójparametrowa korelacja definiuje wówczas pewną płaszczyznę, której osie - długość, szerokość i wysokość - reprezentują te wielkości.

Naukowcy dowiedli także, że dzieląc badaną próbkę GRB na różne kategorię można uzyskać płaszczyznę zdefiniowaną przez tak zwane złote błyski gamma - rozbłyski z wyraźnie określoną, niezbyt stromą emisją plateau, wykazujące jeszcze mniejszy rozrzut w porównaniu z płaszczyznami wyznaczanymi przez inne klasy GRB. Sugeruje to, że możliwe jest ich zastosowanie w badaniach kosmologicznych, gdzie duże znaczenie ma dokładna znajomość jasności obiektów, a także określenie uśrednionej odległości do tej płaszczyzny jako kluczowego parametru mogącego prowadzić do identyfikacji odrębnych, podstawowych procesów fizycznych leżących u podstaw istnienia różnych klas rozbłysków gamma.

Istnieją ponadto dowody na odmienne pochodzenie fizyczne krótkich GRB z tak zwaną wydłużoną emisją, jak i innych klas rozbłysków gamma. Ma to znaczenie dla rodzącej się astronomii fal grawitacyjnych, gdzie można spodziewać się wykrywania innych sygnałów związanych ze zdarzeniami, którym odpowiadają krótkie lub długie rozbłyski gamma. Zatem ich odległość od płaszczyzny podstawowej, definiowanej przez GRB z pewnymi cechami (na przykład złote GRB) stanowi istotne narzędzie do rozróżniania poszczególnych typów GRB i tym samym prowadzi do głębszego zrozumienia ich natury.

GRB map

Na ilustracji: La (jasność przy końcu plateau rentgenowskiego), Ta (czas trwania fazy plateau w układzie spoczynkowym) i Lpeak (maksymalna jasność emisji natychmiastowej) jako przestrzeń parametrów obserwacyjnych dla 183 błysków GRB zaobserwowanych przez satelitę Swift, wraz ze zdefiniowaną przez nie płaszczyzną. Stożki odpowiadają błyskom gamma związanym z supernowymi, kule - błyskom rentgenowskim, prostopadłościany - krótkim błyskom z rozciągłą emisją, kółka - długim, a wielościany - bardzo długim błyskom gamma. Ciemniejsze kolory wskazują na dane obserwacyjne położone powyżej, a jaśniejsze - poniżej tej płaszczyzny. Źródło: Publikacja zespołu.

Dr Dainotti i jej zespół poczynili przełomowy krok ku identyfikacji złożonej mieszaniny gatunków składających się na obserwowane zoo rozbłysków gamma. Badania te stanowią niezwykłe wyzwanie, które może ostatecznie pomóc w opisaniu mechanizmów fizycznych odpowiadających za ogromną różnorodność tych kosmicznych zjawisk, a także daje nadzieję na ich przyszłe wykorzystanie w charakterze kosmologicznych świec standardowych.

Czytaj więcej:


Źródło: INAF/UJ/NASA/Stanford University

Maria Giovanna Dainotti acknowledges the Marie Curie Program, because the research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Program (FP7-2007/2013) under grant agreement No. 626267.

Na zdjęciu powyżej: GRB150101B - obiekt wykryty jako rozbłysk gamma przez satelitę Fermi (2015), a następnie zaobserwowany także w świetle widzialnym i jako źródło fal grawitacyjnych.

Źródło: X-ray: NASA/CXC/GSFC/UMC/E. Troja et al.; Optical and infrared: NASA/STScI