ALMA obserwuje długotrwałe echo radiowe zasilane przez dżety z GRB

Astronomowie korzystający z ALMA badali kataklizmiczną eksplozję gwiazdy, znaną jako rozbłysk gamma, czyli GRB, i odkryli jej trwałą „poświatę”. Wsteczny szok wywołany przez potężne strumienie GRB uderzające w otaczające szczątki, trwał tysiące razy dłużej, niż oczekiwano. Obserwacje te dostarczają świeżego spojrzenia w fizykę GRB, jednej z najbardziej energetycznych eksplozji we Wszechświecie.

Ta nowonarodzona czarna dziura wypluła jeszcze ulotny, ale niesamowicie intensywny rozbłysk promieni gamma w kierunku Ziemi, gdzie został wykryty przez Neil Gehrels Swift Observatory 19 grudnia 2016 r.

Chociaż promienie gamma po wybuchu zniknęły z pola widzenia zaledwie 7 sekund później, dłuższe fale światła z eksplozji – w tym promieniowanie X, radiowe oraz światło widzialne – nadal świeciły przez tygodnie. Umożliwiło to astronomom zbadanie następującego po tym energetycznego zdarzenia, nazwanego GRB 161219B, przy pomocy wielu naziemnych obserwatoriów.

Wyjątkowe możliwości instrumentów ALMA umożliwiły jednak zespołowi astronomów przeprowadzenie długotrwałego badania tej eksplozji na falach milimetrowych, dzięki czemu uzyskano nowy wgląd w ten szczególny GRB, a także rozmiar i skład jego potężnych dżetów.

ALMA widzi na falach milimetrowych, które przenoszą informacje o tym, jak dżety oddziałują z otaczającym pyłem i gazem, zatem jest to potężny próbnik tych gwałtownych kosmicznych eksplozji.

Obserwacje te umożliwiły astronomom stworzenie pierwszego time-lapse o kosmicznej eksplozji, który pokazał zaskakująco długotrwałą falę uderzeniową pochodzącą z wybuchu odbijającą się echem w dżetach. Na obecnym etapie rozumienia GRB astronomowie spodziewali by się, że wsteczny szok potrwa najwyżej od kilku sekund do minuty. Ten trwał przez większą część dnia.

Wsteczny szok występuje, gdy materia zostanie wydmuchnięta z GRB przez dżety wpadające do otaczającego gazu. Spowalnia to uciekającą materię, wysyłając falę uderzeniową z powrotem w dół dżetu.

Ponieważ dżety powinny trwać nie dłużej, niż kilka minut, wsteczny szok również powinien być krótkotrwały. Teraz jednak wydaje się, że tak nie jest.

Przez dziesięciolecia astronomowie sądzili, że wsteczny szok wytworzy jasny błysk światła widzialnego, który do tej pory był bardzo trudny do znalezienie pomimo starannych poszukiwań. Obserwacje ALMA pokazują, że astronomowie mogli szukać w niewłaściwym miejscu, a obserwacje na falach milimetrowych dają najlepszą szansę na jego uchwycenie.

Zamiast tego, światło z szoku wstecznego świeci najjaśniej na milimetrowych długościach fali, w skali czasowej około jednego dnia, co jest najprawdopodobniej powodem, dla którego było to wcześniej trudne do wykrycia. Podczas, gdy światło milimetrowe powstało w wyniku szoku wstecznego, promieniowanie X i światło widzialne pochodzi z fali uderzeniowej przemieszczającej się przed dżetem. 

To, co było wyjątkowe w tym zdarzeniu to fakt, że gdy wsteczny szok wszedł w dżet, powoli, lecz nieustannie przenosił jego energię do poruszającej się przed strumieniem fali uderzeniowej. Dzięki ALMA astronomowie wiedzą, że ta energia – 85% całkowitej w przypadku GRB 161219B – jest ukryta w wolno poruszającej się materii w samym strumieniu.

Jasna emisja wstecznego szoku zgasła w ciągu tygodnia, a szok przedni świecił, dając ALMA szansę zbadania geometrii dżetu.

Światło widzialne fali uderzeniowej w tym krytycznym momencie, kiedy odpływ wystarczająco zwolnił, by cały strumień stał się widoczny z Ziemi, zostało przyćmione przez pojawiającą się supernową z eksplodującej gwiazdy. Jednak światło supernowej nie przeszkadzało obserwacjom ALMA, umożliwiając astronomom ograniczenie rozwarcia kąta wypływu z dżetu do około 13 stopni. 

Zrozumienie kształtu i czasu trwania wypływu z gwiazdy jest niezbędne do określenie prawdziwej energii wybuchu. W tym przypadku astronomowie stwierdzają, że dżety zawierają tyle energii, ile nasze Słońce wypromieniowuje w ciągu miliarda lat.

Jak zauważają naukowcy, to zaledwie czwarty rozbłysk gamma z przekonującą detekcją wstrząsu zwrotnego na wielu częstotliwościach. Materia wokół zapadającej się gwiazdy była około 3000 razy mniej gęsta, niż gaz otaczający gwiazdy w naszej galaktyce, a nowe obserwacje ALMA sugerują, że takie środowiska o niskiej gęstości są niezbędne do wytwarzania emisji szoku wstecznego, co może tłumaczyć, dlaczego takie sygnatury są rzadkie. 

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
ALMA Observes Enduring Radio ‘Echo’ Powered by Jets from Gamma-Ray Burst

Źródło: Obserwatorium ALMA

Na zdjęciu: Wizja artystyczna „szoku wstecznego” odbijającego się echem w strumieniu rozbłysku gamma (GRB 161219B). Źródło: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello