Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Styczeń 2021

< poprzedni Archiwum następny >

Nowa korelacja jasność optyczna-czas dla 100 błysków gamma

Na bazie obserwacji optycznych błysków gamma (GRB) odkryto nową korelację, która może być kluczem do ich wykorzystania w charakterze kosmologicznych wskaźników odległości – nowych świec standardowych. Pracująca pod kierunkiem dr Dainotti (adiunkta na Uniwersytecie Jagiellońskim i badacza w RIKEN iTHEMs w Japonii oraz Space Science Institute) Samantha Livermore (studentka fizyki na Tufts University) badała „emisję plateau” widoczną w obserwacjach optycznych GRB podczas letniego stażu (2020 r) w SLAC National Accelerator Laboratory i na Uniwersytecie Stanforda, w ramach stypendium SULI. Badania te były później kontynuowane w pracy magisterskiej Livermore.

Dainotti i Livermore współpracowały z zespołem obejmującym naukowców z USA, Europy, Meksyku i Australii. Pozwoliło to na zebranie reprezentatywnej próbki danych oraz ich rygorystyczną analizę statystyczną. Te badania, będące kontynuacją wcześniejszych prac dr Dainotti nad emisją plateau GRB, objęły największą próbkę optycznych obserwacji plateau w dotychczasowej literaturze naukowej. Wyniki uczonych zostały zaakceptowane do publikacji w Astrophysical Journal Letters.

Emisja plateau, charakterystyka obserwacyjna występująca powszechnie w danych rentgenowskich zbieranych dla błysków gamma, była w ostatnich latach przedmiotem wielu badań. Ta cecha pojawia się już po początkowej fazie „szybkiej emisji” GRB, po której następuje stopniowe zanikanie poświaty rentgenowskiej i całego błysku. Najbardziej interesującymi cechami emisji plateau są jej jasność i czas, w którym faza ta dobiega końca. Parametry te składają się na korelację jasność-czas, obserwowaną w zakresie rentgenowskim, zgodnie z którą w przestrzeni logarytm-logarytm zachodzi antykorelacja pomiędzy jasnością a czasem końca emisji plateau GRB (Dainotti et al. 2008). Zależność ta została przetestowana pod kątem błędów selekcji we współpracy z profesorem Petrosianem z Uniwersytetu Stanforda. Dainotti i Livermore, zaintrygowane niezmienną naturą tej korelacji, w swojej nowej pracy dowodzą, że korelacja jasność-czas obowiązuje również dla obserwacji optycznych błysków gamma. To z kolei rozszerza jej implikacje fizyczne na większy zakres widma elektromagnetycznego.

Zespół zbadał 267 optycznych krzywych zmian blasku GRB (pochodzących głównie z obserwatorium kosmicznego Swift) i odkrył, że 102 z nich miało dobrze zdefiniowane plateau, dopasowując te krzywe do modelu fenomenologicznego znanego jako model Willingale'a. Po zidentyfikowaniu tych plateau zebrano do dalszej, szczegółowej analizy statystycznej różne parametry zależności jasność optyczna-czas dla każdego błysku gamma z osobna. Po sporządzeniu wykresu dla tych danych dla całej próbki okazało się, że korelację jasność-czas można również znaleźć w obserwacjach fazy plateau prowadzonych w świetle widzialnym (wcześniej wykazano ją jedynie dla fal rentgenowskich). Korelacja ta ma wyraźne nachylenie o wartości rzędu -1 na wykresie logarytmu jasności optycznej w funkcji logarytmu czasu końca fazy plateau. Oznacza to, że im jaśniejsze jest takie optyczne plateau, tym krótszy jest jego czas trwania. Nachylenie korelacji bliskie -1 dodatkowo potwierdza, że faza plateau ma swój stały rezerwuar energii, niezależny od klasy danego GRB, a jego możliwym wyjaśnieniem może być model magnetara. Źródłem obserwowanej dyspersji (rozrzutu) tej korelacji może być z fizycznego punktu widzenia zarówno mechanizm energetyczny odpowiadający za pojawienie się danego plateau, jak i czynniki instrumentalne.

Jednak znana już wcześniej korelacja rentgenowska nie tylko została teraz odtworzona w obserwacjach optycznych. Stwierdzono również, że korelacja obowiązuje i jest stała nawet dla bardzo różnych podpróbek GRB. Gdy 102 badane błyski gamma podzielono według klasyfikacji i nachylenia ich krzywej plateau, korelacja nie zmieniła się znacząco, co wskazuje na to, że obowiązuje ona dla silnie zróżnicowanej populacji GRB.

Oznacza to, że rezerwuar energii GRB jest stały podczas emisji plateau, co pomaga astrofizykom w ujednolicaniu cech fizycznych dla dużej, zróżnicowanej populacji zdarzeń GRB. Standaryzacja grup GRB w celu wykorzystania ich niesamowitej jasności w charakterze świec standardowych jest niezwykle interesującym, ale i trudnym zadaniem. GRB obserwuje się aż do odległości odpowiadających przesunięciom ku czerwieni z~8,2, co czyni je atrakcyjnymi obiektami do wykorzystania jako kosmologiczne wskaźniki odległości, ponieważ sięgają one dalej w przeszłość niż nasze obecne najpopularniejsze, odległe świece standardowe: supernowe typu Ia (obserwowane aż do z < 2,3).







Problem polega jednak na tym, że GRB różnią się między sobą pod względem czasu trwania, jasności, źródła i cech morfologicznych. Aby faktycznie można było ich użyć do pomiaru odległości we Wszechświecie, musimy lepiej zrozumieć mechanizmy odpowiedzialne za ich emisję i znaleźć te cechy, które jednoczą ich większą populację. Dlatego tak ważne jest potwierdzenie istnienia korelacji jasność-czas dla optycznych plateau błysków gamma. Bliższe przyjrzenie się zależnościom między różnymi obserwowanymi parametrami plateau pomaga zdefiniować wewnętrzne wzorce, które mogą ujednolicić całą populację GRB. Poza tą „główną” korelacją badania ujawniły też inny związek pomiędzy obserwacjami optycznymi i rentgenowskimi GRB: czas spoczynkowy końca fazy plateau. Zgodnie ze standardowym testem t, czyli statystyczną miarą podobieństwa dwóch rozkładów, końcowe czasy plateau w obserwacjach optycznych nie różnią się znacząco od tych samych czasów dla odpowiadających im danych rentgenowskich. Czas, w którym kończy się emisja plateau, jest zatem achromatyczny — niezależny od zakresu elektromagnetycznego, w jakim go obserwujemy. To bardzo obiecujące, jeśli właśnie ta cecha plateau, możliwa cecha mająca posłużyć do standaryzacji populacji GRB, jest achromatyczna względem danych rentgenowskich i optycznych, czyli dwóch długości fal, na których obserwuje się większość plateau. Analiza ta może dotyczyć także szerszego kontekstu achromatyczności, ponieważ niektóre przypadki plateau zostały zaobserwowane przez teleskop Fermi-LAT także w wysokoenergetycznych promieniach gamma.

Najważniejszym odkryciem jest jednak to, że „złota próbka”, zdefiniowana jako podgrupa GRB z prawie płaskimi fazami plateau, wykazuje mniejszy rozrzut punktów pomiarowych wokół prostej najlepszego dopasowania korelacji. Rozrzut ten jest aż o 52.4% mniejszy niż ten sam rozrzut wyznaczony dla całej próbki błysków gamma. Nachylenia krzywych korelacji jasność-czas dla danych rentgenowskich i optycznych są porównywalne w granicach 1σ. Zespołowi udało się zatem uzyskać jeszcze mniejszy rozrzut i zawężenie cech GRB, biorąc pod uwagę krzywe blasku należące już do samej złotej próbki.





Oryginalna publikacja: M.G. Dainotti, S. Livermore, D.A. Kann, L. Li, S. Oates, S. Yi, B. Zhang, B. Gendre, B. Cenko, N. Fraija: The Optical Luminosity-Time Correlation for More Than 100 Gamma-Ray Burst Afterglows, ApJS, 238, 9, 2018.


Przedstawione wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego.




Kontakt:

Maria Giovanna Dainotti Obserwatorium Astronomiczne UJ M. Dainotti [at] oa.uj.edu.pl