Kiedy astronomowie zauważyli potężny rozbłysk gamma (GRB) w październiku 2019 r., najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem było to, że został on wyprodukowany przez masywną umierającą gwiazdę w odległej galaktyce, eksplodującą jako supernowa. Jednak dane z kolejnych obserwacji wykazały, że wybuch powstał w wyniku zderzenia gwiazd (lub ich pozostałości) w gęsto upakowanym obszarze w pobliżu supermasywnej czarnej dziury w starożytnej galaktyce, wynika z nowego artykułu opublikowanego w czasopiśmie Nature Astronomy. Postawiono hipotezę o tak rzadkim zdarzeniu, ale jest to pierwszy dowód obserwacyjny na taki przypadek.

Jak informowaliśmy wcześniej, rozbłyski gamma to niezwykle wysokoenergetyczne eksplozje w odległych galaktykach, trwające od zaledwie milisekund do kilku godzin. Istnieją dwie klasy rozbłysków gamma. Większość (70 procent) to długie wybuchy trwające ponad dwie sekundy, często z jasną poświatą. Są one zwykle powiązane z galaktykami z szybkim powstawaniem gwiazd. Astronomowie uważają, że długie wybuchy są związane ze śmiercią masywnych gwiazd, które zapadają się, tworząc gwiazdę neutronową lub czarną dziurę (lub, alternatywnie, nowo powstały magnetar). Młoda czarna dziura wytwarzałaby dżety wysokoenergetycznych cząstek poruszających się z prędkością bliską prędkości światła, wystarczająco silne, aby przebić się przez pozostałości gwiazdy progenitorowej, emitując promieniowanie rentgenowskie i gamma.

Te rozbłyski gamma trwające mniej niż dwie sekundy (około 30 procent) są uważane za krótkie rozbłyski, zwykle emitowane z obszarów o bardzo małej ilości gwiazdotwórczych form. Astronomowie uważają, że te rozbłyski gamma wynikają z połączenia dwóch gwiazd neutronowych lub gwiazdy neutronowej łączącej się z czarną dziurą, składającą się z „kilonowej”.

Rozbłysk gamma wykryty przez należące do NASA Neil Gehrels Swift Observatory w 2019 roku należał do kategorii długich. Ale astronomowie byli zdziwieni, ponieważ nie znaleźli żadnych dowodów na istnienie odpowiedniej supernowej. „Na każde sto zdarzeń, które pasują do tradycyjnego schematu klasyfikacji rozbłysków gamma, jest co najmniej jeden dziwak, który rzuca nam pętlę” – powiedział współautor Wen-fai Fong, astrofizyk z Northwestern University. „Jednak to właśnie te dziwadła mówią nam najwięcej o spektakularnej różnorodności eksplozji, do których zdolny jest wszechświat”.

Zaintrygowany Fong i jego współautorzy śledzili zanikającą poświatę rozbłysku za pomocą Międzynarodowego Obserwatorium Gemini, uzupełnionego o dane zebrane przez Nordyckie Teleskopy Optyczne i Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Poświata umożliwiła im ustalenie lokalizacji GRB w regionie oddalonym o zaledwie 100 lat świetlnych od jądra starożytnej galaktyki, tj. bardzo blisko supermasywnej czarnej dziury w jej centrum. Doszli do wniosku, że wybuch powstał w wyniku zderzenia dwóch gwiazd lub gwiezdnych pozostałości.

To znaczące, ponieważ istnieją trzy dobrze znane procesy śmierci gwiazdy, w zależności od jej masy. Masywne gwiazdy eksplodują jako supernowa, podczas gdy gwiazda o masie naszego Słońca odrzuci swoje zewnętrzne warstwy i ostatecznie zaniknie, by stać się białym karłem. A gwiezdne pozostałości powstałe z supernowych – gwiazdy neutronowe lub czarne dziury – mogą tworzyć układy podwójne i ostatecznie zderzać się.

Teraz mamy czwartą alternatywę: gwiazdy w gęsto upakowanych obszarach starożytnych galaktyk mogą się zderzać – zjawisko to jest bardzo rzadkie w aktywnych galaktykach, które nie są tak gęste. Starożytna galaktyka może mieć milion gwiazd upakowanych na obszarze o średnicy zaledwie kilku lat świetlnych. W tym przypadku grawitacyjne efekty przebywania tak blisko supermasywnej czarnej dziury zmieniłyby ruchy tych gwiazd, tak że poruszały się one w losowych kierunkach. W końcu musiało dojść do zderzenia.

W rzeczywistości autorzy sugerują, że tego rodzaju zderzenia mogą nawet nie być tak rzadkie; po prostu nie wykrywamy charakterystycznych GRB i poświaty z powodu całego pyłu i gazu zasłaniającego nam widok na centra starożytnych galaktyk. Gdyby astronomowie mogli w przyszłości wykryć sygnaturę fali grawitacyjnej w połączeniu z takim GRB, mogłoby to powiedzieć im więcej o tego rodzaju gwiezdnej śmierci.

„Te nowe wyniki pokazują, że gwiazdy mogą spotkać swój koniec w niektórych z najgęstszych regionów Wszechświata, gdzie mogą zostać doprowadzone do zderzenia” – powiedział współautor Andrew Levan, astronom z Radboud University w Holandii. „To ekscytujące dla zrozumienia, w jaki sposób gwiazdy umierają i odpowiedzi na inne pytania, takie jak nieoczekiwane źródła mogą tworzyć fale grawitacyjne, które moglibyśmy wykryć na Ziemi”.

DOI: Nature Astronomy, 2023. 10.1038/s41550-023-01998-8 (O DOI).