Błyski gamma okiem teleskopów Subaru i Swift: ku nowym świecom standardowym
Nowa metoda dająca nadzieję na wykorzystanie rozbłysków gamma (GRB) – najbardziej energetycznych wybuchów we Wszechświecie – do niezależnych pomiarów tempa ekspansji kosmosu została opracowana przez międzynarodowy zespół naukowy kierowany przez dr. Marię Dainotti (NAOJ).
Badacze przeanalizowali 500 rozbłysków gamma w zakresie optycznym. To największa jak dotąd próbka tego rodzaju, na którą złożyły się dane obserwacyjne z teleskopów Subaru i RATIR oraz satelity Swift. Zespół wykazał, że pewna podgrupa GRB (179 rozbłysków) wykazujących plateau optyczne (pokazane na Ilustracji 1) może być wykorzystana jako niezależna metoda wyznaczania odległości kosmologicznych.
Ilustracja 1. Przykładowa krzywa blasku rozbłysku gamma – wizualizacja artystyczna. (Źródło: Maria Dainotti et al.)
GRB są znacznie jaśniejsze od supernowych obserwowanych do odległości około 11 miliardów lat świetlnych, dzięki czemu można je zobaczyć także z dużo większych odległości (nawet do 13,2 miliarda lat świetlnych stąd). Pozwala to naukowcom badać bardzo odległe rozbłyski gamma, które dają nam niezwykły obraz „niemowlęctwa” naszego liczącego 13,8 miliarda lat Wszechświata. Badanie tego bardzo wczesnego Wszechświata jest z kolei niezbędne dla zrozumienia, jak narodziły się pierwsze gwiazdy i jak z czasem ewoluowały (tzw. zagadnienie ewolucji kosmologicznej). Jedną z poważnych trudności jest jednak to, że rozbłyski są trudne do ustandaryzowania ze względu na znaczną różnorodność ich cech, różniących się o kilka rzędów wielkości nawet w sytuacji, gdy GRB obserwowane są za pomocą tego samego instrumentu.
W omawianych badaniach w wielu przypadkach dane zebrane przez Subaru okazały się kluczowe dla wyznaczenia emisji plateau GRB, gdyż punkty pomiarowe zaobserwowane przez ten teleskop zlokalizowane były w miejscach na krzywych zmian blasku odpowiadających lukom czasowym na tych samych krzywych obserwowanych z udziałem innych teleskopów, w emisji plateau lub niedługo po niej.
Na całą próbkę obserwowanych obiektów składało się 179 GRB wykazujących emisję plateau nieco odmienną niż w pozostałych przypadkach. Inna morfologia krzywych blasku wskazuje również na inny mechanizm powstawania tej emisji. GRB z emisją plateau najprawdopodobniej wywodzą się z szybko rotujących milisekundowych gwiazd neutronowych. Inne teorie tłumaczą emisję plateau w kategoriach akrecji na czarną dziurę, ale jest to mniej prawdopodobne ze względu na obserwowane nachylenie trendu korelacji.
Zestawienie trzech parametrów (szczytowa jasność tzw. emisji szybkiej, jasność pod koniec emisji plateau i jej czas trwania na falach światła widzialnego; na Ilustracji 2) identyfikuje płaszczyznę, która sprawdza się jako najlepszy wskaźnik odległości. Nowatorskie podejście polega na tym, że po raz pierwszy korelacja ta przetrwała testy względem tzw. błędów selekcji. Odkryta zależność jest natomiast rozszerzeniem tej samej korelacji 3D występującej na falach rentgenowskich, którą również odkrył w 2016 roku zespół kierowany przez Marię Dainotti (poprzednia informacja prasowa NASA Swift).
Fundamentalna korelacja 3D pozwala nam zatem mierzyć odległości do GRB. Kluczową zaletą optycznej zależności w 3D jest to, że dla rozbłysków gamma z wieloma równoczesnymi pomiarami możliwe jest obliczenie z nich średniej odległości i uzyskanie dzięki temu dokładniejszego wyniku. Co ważniejsze, korelacja optyczna w 3D jest jeszcze bardziej skutecznym narzędziem dla kosmologii opartej na GRB w porównaniu z rentgenowską płaszczyzną fundamentalną i może z powodzeniem posłużyć jako przyszła „sonda” do wyznaczania parametrów kosmologicznych – jak wynika z symulacji przeprowadzonych przez zespół w pracy Dainotti et al. 2022c.
Ilustracja 2. Płaszczyzna fundamentalna zaprezentowana w publikacji. (Źródło: Maria Dainotti et al.)
Ilustracja 3. Rozkład GRB w trójwymiarowej przestrzeni parametrów wyznaczonej przez szczytową jasność GRB, jasność na końcu plateau i czas trwania plateau. Zespół dowiódł, że 179 GRB z analizowanej próbki układa się na wyróżnionej płaszczyźnie w tej przestrzeni. Wykorzystując trójwymiarowe korelacje, można obliczyć indywidualne jasności tych GRB. (Źródło: Maria Dainotti et al.)
Innym ważnym odkryciem jest to, że plateau rzeczywiście zależy od długości fali (jest chromatyczne) obserwacji. Aby tego dowieść, zespół porównał dla 89 GRB dane z obserwacji przeprowadzonych na falach rentgenowskich i w zakresie optycznym. Wniosek jest następujący: w większości przypadków plateau nie wynika z efektu geometrycznego, ponieważ jest ono chromatyczne, dzięki czemu należy wykluczyć, że koniec plateau może pokrywać się z przerwą w dżecie. Byłoby to wtedy zależne od geometrycznego efektu związanego z kątem, pod jakim obserwujemy zjawisko. Po raz pierwszy w literaturze naukowej potwierdzono ten wynik dla tak dużej próbki GRB, przy czym należy zwrócić uwagę na nachylenie korelacji, które wciąż jest zgodne z -1 w granicach 2σ. Bardziej strome nachylenie, zgodne z -1,2, prowadziłoby do odmiennego wniosku: emisja mogłaby być wówczas wywołana przez długotrwałą aktywność centralnego silnika akreującego materię na czarną dziurę.
