Przejdź do treści

Teoria kontra obserwacje rozbłysków gamma: narodziny nowych świec standardowych

GRB 111209A

Przedstawiona przez uczonych nowa trójwymiarowa analiza precyzuje związek pomiędzy różnymi skorelowanymi ze sobą obserwowanymi parametrami rozbłysków gamma (Gamma-Ray Bursts, GRB) a tym, jak są one naturalnie związane z fizycznymi cechami tych zjawisk – bez zakładania ich podczas analizy. To ogromny krok naprzód w torowaniu nowej drogi dla rozbłysków gamma, rozumianych jako świece standardowe – uniwersalne wyznaczniki odległości we Wszechświecie – w oparciu o dogłębnie przestudiowane mechanizmów ich fizycznej emisji.

W pracy przeanalizowano 455 rozbłysków gamma, wykrytych przez satelitę Swift, zarówno z czysto astrofizycznego punktu widzenia, czyli pod względem mechanizmów ich emisji i pochodzenia (obiektów będących ich źródłami), jak i z perspektywy kosmologicznej. Badania takie znacznie przyśpieszają proces przekształcania GRB w astronomiczne świece standardowe, będące obiektami o znanych jasnościach absolutnych, które można obliczyć na podstawie poznanych wcześniej dobrze ugruntowanych relacji między ich jasnościami i innymi właściwościami, niezależnymi od odległości. Korelacje te pozwalają w efekcie na autonomiczne wyznaczanie odległości dzielących nas od różnych obiektów astronomicznych. Najdalsze znane (i naukowo uznane) na dzień dzisiejszy świece standardowe to supernowe typu Ia, jednak rozbłyski gamma mają tę znaczącą większą użyteczność nad nimi, że można je obserwować także na znacznie większych odległościach (13,2 miliarda lat świetlnych) niż supernowe Ia (do 11 miliardów lat świetlnych).

GRB mają ogromne znaczenie astrofizyczne, ponieważ wiążą się z najpotężniejszymi we Wszechświecie zdarzeniami prowadzącymi do uwalniania się wysokich energii. W ciągu zaledwie kilku sekund, podczas początkowej fazy wyrzutu fotonów promieniowania gamma, zwanej też fazą emisji natychmiastowej, emitują ilości energii porównywalne z tymi, jakie nasze Słońce może wyzwalać przez cały okres swojego istnienia. Właśnie ze względu na te ekstremalnie wysokie energie, GRB są możliwe do wykrywania nawet na bardzo dużych odległościach kosmologicznych. Najdalsze z nich obserwuje się na dystansach odpowiadających czasom bardzo bliskim samym początkom Wszechświata – do zdarzeń tych doszło zatem krótko po Wielkim Wybuchu, co pozwala nam zaglądnąć z ich użyciem w najmłodsze czasy istnienia Wszechświata i lepsze tego okresu. Teoria zakłada, że GRB powstają w wyniku łączenia się ze sobą dwóch gwiazd neutronowych lub gwiazdy neutronowej i czarnej dziury, lub też jako następstwo grawitacyjnego kolapsu „ciężkiej” gwiazdy o masie minimum 20 razy większej niż masa Słońca.

GRB są interesujące zarówno w kontekście badań pojedynczych zdarzeń gamma, jak i większych oszacowań statystycznych. Te drugie są głównym tematem omawianego artykułu. Faza szczytowej emisji natychmiastowej GRB (zwykle obserwowanej w formie fotonów gamma) trwa zwykle od kilku do kilku tysięcy sekund. Faza poświaty (ang. afterglow), następująca tuż po tej fazie, może liczyć zarówno kilka sekund, jak i godzin, dni, tygodni, miesięcy, a nawet  lat. Poświata ta jest wówczas najczęściej obserwowana w promieniach rentgenowskich oraz przez większość tego czasu w świetle widzialnym, a w przypadku niewielkiej liczby rozbłysków gamma - także na znacznie mniej energetycznych falach radiowych.

GRB różnią się przy tym znacznie pod względem fizycznego pochodzenia i środowiska, w którym znajduje się źródło, co sprawia, że proces mający na celu wykorzystanie ich w charakterze nowych świec standardowych jest znacznie utrudniony. W rzeczywistości naukowcy wciąż pracują nad znalezieniem pewnych wspólnych cech wyróżniających się w ich rozlicznych właściwościach. Wykazano natomiast, że około 50% GRB, obserwowanych przez satelitę Swift, ma płaską fazę emisji plateau w swoich rentgenowskich krzywych zmian blasku. Opublikowane teraz wyniki skupiają się właśnie na tych GRB, które wykazują owe charakterystyczne plateau (pokazane na poniższym wykresie).

GRB-p1

Na wykresie: Krzywa zmian blasku GRB 090510 z naniesioną funkcją Willingale (Willingale et al. 2007, kolor niebieski) i zaznaczonymi obszarami natychmiastowej emisji, fazy plateau i poświaty.
Źródło: Publikacja zespołu.


Wyniki te prezentują nową metodę standaryzacji GRB, opartą na dobrze ugruntowanych podstawach fizycznych, dotyczących środowisk ich pierwotnych źródeł. Zespół przetestował zestaw zależności teoretycznych, określających, czy dane zdarzenie GRB mogło być z dużym prawdopodobieństwem zapoczątkowane w środowisku ośrodka międzygwiazdowego (ISM) o stałej gęstości, czy środowisku wiatru gwiezdnego z gęstością malejącą przy większych odległościach od źródła; i czy dany GRB związany jest z reżimem szybkiego, czy też powolnego schładzania (reżimami nazywamy obszary, w których elektrony są szybko lub wolno schładzane do określonych energii). Naukowcom udało się określić te środowiska i reżimy chłodzenia dla znaczącej większości GRB z próbki, a następnie przetestować zależność trójwymiarowej relacji GRB, będącą funkcją czasu pojawiania się początku i końca fazy plateau, szczytowej jasności szczytu emisji natychmiastowej oraz jasności na końcu fazy plateau dla tych środowisk.

Odkryto, że rozbłyski gamma, podlegające reżimowi szybkiego chłodzenia (wykres 2), wykazują najmniejszą odległość w odniesieniu do relacji opisanej płaszczyzną fundamentalną 3D, jaką kiedykolwiek wcześniej opisano w literaturze naukowej. W ten sposób zespół dowiódł, że nowa metoda klasyfikacji zdarzeń GRB w oparciu o znajomość ich macierzystych astrofizycznych środowisk i reżimów chłodzenia faktycznie może być kluczem do przekształcenia rozbłysków gamma w kosmologiczne świece standardowe.

GRB-p2

Na wykresie: Zależność (Lx-T)*(x-Lpeak) dla próbki obiektów z szybkim chłodzeniem – najlepsze dopasowanie do trójwymiarowej płaszczyzny fundamentalnej.
Źródło: Publikacja zespołu.

Badania opisujące najbardziej kompleksową analizę rozbłysków gamma, wykrytych do tej pory z udziałem kosmicznego obserwatorium Neil Gehrels Swift Observatory (Swift), zostały przedstawione w najnowszym artykule zaakceptowanym do publikacji przez Astrophysical Journal Suplements Series. Analiza została przeprowadzona przez międzynarodowy zespół, kierowany przez dr. hab. Marię Giovannę Dainotti, adiunkta na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie, naukowca w Space Science Institute w Colorado i mentorkę programu Science Undergraduate Laboratory Internships (SULI) na Uniwersytecie w Stanford. Główni autorzy to Maria Dainotti i Gokul Srinivasaragavan, student CalTech (California Institute of Technology). Współautorem pracy jest też Aleksander Lenart, student astronomii na Uniwersytecie Jagiellońskim. Opisywane badania naukowe otrzymały znaczące wsparcie ze strony SULI (SLAC, Kalifornia, USA).

 

Czytaj więcej:

 

Źródło: OAUJ/Swift Observatory

Opracowanie: Maria Dainotti, Elżbieta Kuligowska, Aleksander Lenart

Na ilustracji: Rozbłysk gamma GRB 111209A z 9 grudnia 2011 roku. Związany był z emisją wysokoenergetycznego promieniowania gamma, które trwało rekordowo długo – przez siedem godzin. Obraz, przedstawiony w sztucznych barwach, pokazuje zdarzenie gamma zarejestrowane przez teleskop rentgenowski pracujący na pokładzie satelity Swift.
Źródło: NASA/Swift/B. Gendre (ASDC/INAF-OAR/ARTEMIS).