Gigantyczne eksplozje ukryte w pyle

Artystyczna wizja otoczenia wokół błysku gamma GRB 020819.
NAOJ

Obserwacje za pomocą Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) pozwoliły po raz pierwszy wykonać mapy gazu molekularnego i pyłu w macierzystych galaktykach błysków gamma (GRB) – największych eksplozji we Wszechświecie. Zupełną niespodzianką było zaobserwowane mniejszej ilości gazu niż oczekiwano, a znacznie więcej pyłu, co powoduje, że niektóre z rozbłysków gamma można nazwać „ciemnymi błyskami gamma”. Wyniki badań ukażą się 12 czerwca 2014 r. w czasopiśmie „Nature” i będą pierwszą opublikowaną pracą naukową ALMA na temat rozbłysków gamma. Publikacja pokazuje potencjał ALMA w lepszym zrozumieniu tych obiektów.

Rozbłyski gamma (GRBs) to intensywne wybuchy o ekstremalnie wielkiej energii obserwowane w odległych galaktykach – najjaśniejsze wybuchowe zjawiska we Wszechświecie. Rozbłyski, które trwają więcej niż kilka sekund są znane jako długie błyski gamma (LGRBs) [1] i są związane z eksplozjami supernowych – potężnymi detonacjami pod koniec życia gwiazd masywnych.

W ciągu zaledwie kilku sekund typowy rozbłysk uwalnia tyle energii ile Słońce w ciągu całego swojego życia trwającego 10 miliardów lat. Po samej eksplozji często następują powolny spadek emisji znany jako poświata, która prawdopodobnie tworzy się na skutek zderzania się wyrzuconej materii z otaczającym gazem.

Jednak niektóre błyski gamma w tajemniczy sposób nie charakteryzują się występowaniem poświaty – mówi się o nich jako o ciemnych błyskach gamma. Według jednego z możliwych scenariuszy promieniowanie poświaty jest absorbowane przez obłoki pyłu.

W ostatnich altach naukowcy pracowali nad lepszym zrozumieniem w jaki sposób powstają błyski gamma, badając galaktyki macierzyste tych zjawisk. Astronomowie spodziewali się, że w obszarach z aktywnymi procesami gwiazdotwórczymi w tych galaktykach znajdą gwiazdy masywne, poprzedniczki błysków GRB, które będą otoczone przez wielkie ilości gazu molekularnego – paliwa do powstawania gwiazd. Ale nie było wyników obserwacyjnych, które by potwierdzały tę hipotezę i zagadka ciągle trwała.

Zespół japońskich astronomów, któremu przewodził Bunyo Hatsukade z National Astronomical Observatory of Japan, użył ALMA do wykrycia emisji radiowej z gazu molekularnego w dwóch galaktykach macierzystych ciemnych błysków gamma (LGRB) - GRB 020819B oraz GRB 051022 – znajdujących się około 4,3 miliarda i 6,9 miliarda lat świetlnych od nas. Mimo, że tego typu emisja radiowa nie była nigdy wcześniej obserwowana w galaktykach macierzystych błysków GRB, dzięki ALMA udało się tego dokonać z bardzo dużą czułością [2].

Kotaro Kohno, profesor University of Tokyo i członek zespołu badawczego, powiedział, „Przez ponad dziesięć lat szukaliśmy gazu molekularnego w galaktykach, w których wystąpił błysk GRB, używając różnych teleskopów na całym świecie. W wyniku naszej ciężkiej pracy w końcu uzyskaliśmy przełom dzięki mocy ALMA. Bardzo cieszymy się z ego osiągnięcia.”

Inny znaczącym osiągnięciem, uzyskanym dzięki dużej rozdzielczości ALMA, było poznanie rozmieszczenie gazu molekularnego i pyłu w galaktykach macierzystych błysków GRB. Obserwacje GRB 020819B ujawniły bogate w pył środowisko w zewnętrznych częściach galaktyki, natomiast gaz znaleziono tylko wokół centrum. Po raz pierwszy zbadano rozmieszczenie gazu i pyłu w galaktykach macierzystych błysków GRB [3].

„Nie spodziewaliśmy się, że błyski gamma zachodzą w tak mocno zapylonym środowisku, z małą zawartością gazu molekularnego w stosunku do pyłu. Wskazuje to, że błyski GRB zachodzą w otoczeniu znacznie różniącym się od typowych obszarów gwiazdotwórczych” mówi Hatsukade. Stanowi to sugestię, że gwiazdy masywne, które umierają w błyskach GRB, zmieniają otoczenie w swoich obszarach gwiazdotwórczych zanim eksplodują.

Zespół badawczy wierzy, że możliwym wyjaśnieniem dla dużej proporcji pyłu w porównaniu do gazu molekularnego w obszarach GRB jest różnica w reakcjach na promieniowanie ultrafioletowe. Ponieważ wiązania pomiędzy atomami, które tworzą cząsteczki, łatwo przerwać dzięki intensywnemu promieniowaniu ultrafioletowemu, gaz molekularny nie może przetrwać w otoczeniu narażonym na silne promieniowanie tego typu wytwarzane przez gorące, masywne gwiazdy w ich obszarach gwiazdotwórczych, w tym w przypadku, który zapewne eksplodował jako obserwowany rozbłysk GRB. Mimo podobnego rozkładu obserwowanego także w GRB 051022, nie zostało to jeszcze potwierdzone z powodu zbyt małej rozdzielczości (gdyż galaktyka związana z GRB 051022 jest położona dalej niż ta związana z GRB 020819B). W każdym z przypadków obserwacje ALMA wspierają hipotezę, że to pył absorbuje promieniowanie poświaty i odpowiada za ciemne błyski gamma.

“Wyniki uzyskane tym razem daleko przekroczyły nasze oczekiwania. Musimy przeprowadzić kolejne  obserwacje innych galaktyk związanych z błyskami GRB, aby sprawdzić czy są to ogólne warunki otoczenia w miejscach błysków gamma. Niecierpliwie czekamy na przyszłe badania z pełną mocą ALMA” mówi Hatsukade.

Uwagi

[1] Długie błyski gamma (LGRBs) trwają ponad dwie sekundy i obejmują około 70% obserwowanych rozbłysków gamma. Badania w ciągu ostatniej dekady doprowadziły do odkrycia nowej klasy błysków GRB trwających mniej niż dwie sekundy, tzw. krótkich błysków gamma, które następują najprawdopodobniej w wyniku połączenia się gwiazd neutronowych i nie są związane z supernowymi lub hipernowymi.

[2] Czułość ALMA w przedstawionych obserwacjach była około pięć razy lepsza niż innych podobnych teleskopów. Wczesne obserwacje naukowe za pomocą częściowej sieci ALMA rozpoczęły się w 2011 roku (eso1137). Obserwacje te wykonywano za pomocą jedynie częściowej sieci 24-27 anten rozmieszczonych na dystansie do 125 metrów. Ukończenie budowy ostatniej z 66 anten (eso1342) daje wyobrażenie o tym co może odkryć ALMA w najbliższej przyszłości, gdy anteny będą ustawiane w różnych konfiguracjach o maksymalnej odległości pomiędzy antenami od 150 metrów do 16 kilometrów.

[3] Proporcja masy pyłu do masy gazu molekularnego wynosi około 1% w ośrodku międzygwiazdowym w Drodze Mlecznej i pobliskich galaktykach gwiazdotwórczych, ale w obszarze wokół GRB 020819B jest co najmniej dziesięć razy większa.

Więcej informacji

Międzynarodowy kompleks astronomiczny ALMA działa w ramach partnerstwa pomiędzy Europą, Ameryką Północną i Azją Wschodnią, we współpracy z Chile. ALMA jest finansowana w Europie przez Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO), w Ameryce Północnej przez U.S. National Science Foundation (NSF), we współpracy z National Research Council of Canada (NRC) oraz National Science Council of Tajwan (NSC), a w Azji Wschodniej przez National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan, we współpracy z Academia Sinica (AS) in Taiwan. Konstrukcja i użytkowanie ALMA w imieniu Europy jest kierowane przez ESO, w imieniu Ameryki Północnej przez National Radio Astronomy Observatory (NRAO), zarządzane przez Associated Universities, Inc. (AUI), a w imieniu Azji Wschodniej przez National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Joint ALMA Observatory (JAO) umożliwia wspólne kierowanie i zarządzanie konstrukcją, testowaniem i użytkowaniem ALMA.Wyniki badań opublikowano 12 czerwca 2014 r. w “Nature” w artykule pt.: “Two gamma-ray bursts from dusty regions with little molecular gas”, B. Hatsukade et al.

Skład zespołu badawczego: B. Hatsukade (NAOJ, Tokio, Japonia), K. Ohta (Department of Astronomy, Kyoto University, Kyoto, Japonia), A. Endo (Kavli Institute of NanoScience, TU Delft, Holandia), K. Nakanishi (NAOJ; JAO, Santiago, Chile; The Graduate University for Advanced Studies (Sokendai), Tokio, Japonia), Y. Tamura (Institute of Astronomy [IoA], University of Tokyo, Japonia), T. Hashimoto (NAOJ) oraz K. Kohno (IoA; Research Centre for the Early Universe, University of Tokyo, Japonia).

Źródło: ESO | Tłumaczenie: Krzysztof Czart

Liczba odsłon: 1634