Astronomowie odchylili rąbka tajemnicy otaczającej pochodzenie krótkich błysków gamma – tajemniczych trwających ułamek sekundy wysokoenergetycznych błysków, które do tej pory umykały badaniom.

W przeciwieństwie do sowich długo trwających kuzynów, które towarzyszą śmierci masywnych młodych gwiazd, krótkie błyski gamma powstają prawdopodobnie podczas kolizji gęstych gwiazd neutronowych.

Jak mówi Joshua Bloom z Uniwersytetu w Berkeley, dowody wskazujące na takich rodziców błysku sprawiają, że otwiera się nowy rozdział w badaniach nad naturą tych najbardziej niezwykłych eksplozji we Wszechświecie.

Dla badań, kluczową była obserwacja krótkiego błysku gamma nazwanego GBR 050509b, który został zauważony przez satelitę Swift w pobliżu jasnej starej galaktyki eliptycznej. Był to pierwszy krótki błysk gamma, którego lokalizację określono z wysoką precyzją, na obszarze o rozmiarach kątowych wynoszących 0,5 procent rozmiarów Księżyca.

W przeciwieństwie do galaktyk spiralnych, takich jak Droga Mleczna, które mogą zawierać zarówno stare jak i młode gwiazdy, galaktyki eliptyczne wyczerpały już większość swoich zasobów gazu i nie powstają tu młode gwiazdy. Galaktyki takie są zbudowane z bardzo starych gwiazd oraz pozostałości po nich, takich jak gwiazdy neutronowe, czarne dziury i białe karły. Związanie błysku gamma z taką starą galaktyką wskazuje na stare gwiazdy jako na źródło krótkich błysków gamma.

„Do tej pory wszystkie błyski gamma były wiązane ze śmiercią młodej gwiazdy” – mówi Bloom. – „Natomiast teraz na przykładzie GRB 050509b widzimy, że zderzenie dwóch gwiazd neutronowych może być również źródłem błysku. Ten błysk to podgląd tego, co stawnie się za miliardy lat z układem gwiazd neutronowych Hulse-Taylora w naszej Galaktyce„.

Russel Hulse i Joseph Taylor otrzymali w 1993 roku nagrodę Nobla za odkrycie w 1974 roku układu podwójnego gwiazd neutronowych w Drodze Mlecznej i pokazanie, że zmiana orbity układu jest zgodna z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Od tamtej pory spekulowano, czy kolizja dwóch gwiazd neutronowych może być źródłem błysku gamma.

8 maja 2005 roku astronomowie na całym świecie zostali zaalarmowani o pozycji zaobserwowanego krótkiego błysku gamma. Bloom i jego współpracownicy szybko skierowali we wskazane miejsce swoje arizońskie teleskopy. Gdy zorientowali się, że błysk może być związany z galaktyką eliptyczną, natychmiast skierowali w to miejsce nieba teleskop znajdujący się na Hawajach teleskop Keck II.

Gdy dane zaczęły napływać, naukowcy zauważyli ich uderzające podobieństwo do przewidywań hipotezy złączenia się dwóch gwiazd neutronowych. Odległość błysku od galaktyki, jej typ i odległość od Ziemi (wynosząca 2,7 miliarda lat świetlnych), wszystko zgadzało się z symulacjami przeprowadzonymi kilka lat wcześniej.

„Elementy układanki zaczęły się układać w całość, to było aż zbyt zgodne z teorią” – mówi Steinn Sigurdsson z Penn State.

„Zanim wyciągniemy ostateczne wnioski, trzeba zaobserwować więcej takich obiektów, ale jest to niewątpliwe cenna wskazówka, że przynajmniej niektóre z krótkich błysków gamma mogą pochodzić z łącznia się gwiazdy neutronowej z gwiazdą neutronową lub czarną dziurą” – mówi Alex Filippenko, który również brał udział w badaniach.

Naukowcy szacowali prawdopodobieństwo, że błysk związany jest z galaktyką eliptyczną, gdyż na wskazanym jako źródło błysku obszarze znajduja się również niebiesjue galaktyki

Bloom zauważa, że przeciwnicy teorii, którzy opowiadają się za inna genezą krótkich błysków gamma, taką jak wybuch pojedynczej masywnej gwiazdy lub wibracje silnie namagnesowanej gwiazdy neutronowej, mogą wciąż mieć nadzieję. Twierdzi, że prawdopodobieństwo, że błysk nie miał związku z galaktyka eliptyczną wynosi tyle, co trafienie obstawionej liczby w ruletce. Błysk mógłby wtedy być związany z młodszą populacją gwiazd. Jednak hipoteza, że był on związany z galaktyką eliptyczną ma najsilniejsze podstawy.

Błyski gamma mogą trwać od kilku milisekund do tysięcy sekund. Po 1993 roku wyłoniły się dwie populacje błysków: trwające krócej i dłużej niż 2 sekundy. Każda z tych grup charakteryzuje się innym spektrum. Błysk GBR 050509b trwał tylko 30 milisekund, przez co zalicza się do pierwszej z tych kategorii.

Kiedy łączą się dwie gwiazdy neutronowe, z szybko rotującego układu powinna powstać czarna dziura otoczona torusem materii pochodzącej z gwiazd. Dostępne są dwa główne źródła energii, które mogą prowadzić do błysku: energia krążących szczątków i energia krętu czarnej dziury.

„Łączenie się ciasnych układów stanowi wielki zbiornik energii i może prowadzić do wybuchu trwającego tyle, co krótki błysk gamma” – wyjaśnia Enrico Ramirez-Riuz z Instytutu w Princeton.

Gwiazdy neutronowe to najgęstsze skupiska zwykłej materii we Wszechświecie, w których siły międzyatomowe zapobiegają zapadnięciu się gwiazdy pod wpływem własnej masy. Ich masa wynosi kilka mas Słońca, ale ich średnia wynosi zaledwie kilkadziesiąt kilometrów. Gwiazdy neutronowe powstają zazwyczaj podczas śmierci masywnej gwiazdy w wybuchu supernowej.

W rzadkim przypadku, gdy dwie wielkie gwiazdy rodzą się razem, w układzie podwójnym, obie powstałe gwiazdy neutronowe będą dalej razem krążyć. Czasami jedna gwiazda neutronowa może przekształcić się w czarną dziurę przed wybuchem drugiej supernowej, ściągając materię z towarzysza. Ale niezależnie od tego scenariusza, każdy z układów gwiazda neutronowa – gwiazda neutronowa lub czarna dziura, jest skazany na kolaps, w wyniku emitowania energii za pośrednictwem fal grawitacyjnych.

„GBR 050509b wydaje się nieść z sobą mniej energii niż długie i miękkie błyski gamma, bez względu na jego odległość od Ziemi” – wyjaśnia Jonathan Granot ze Stanford University. Mimo tej różnicy, wszystkie błyski gamma zdają się emitować energię z tą samą efektywnością, co wskazuje na podobny mechanizm emisji. – „Następne krótkie błyski gamma powinny pozwolić ułożyć kolejne elementy tej układanki„.