Kort gammastråleudbrud efterlader den mest fjerntliggende optiske efterglød, der nogensinde er registreret

Jo længere væk et objekt ligger i universet, jo svagere ser det ud gennem linsen på et teleskop.

Så da et team af astrofysikere ledet af Northwestern University opdagede en efterglød af et kort gammastråleudbrud (SGRB) placeret 10 milliarder lysår væk, de var chokerede. Efterlys, trods alt, er allerede utroligt svage og hurtige signaler - nogle gange varer kun timer.

Kendt som SGRB181123B, udbruddet skete kun 3,8 milliarder år efter Big Bang. Det er den næstfjerneste veletablerede SGRB, der nogensinde er blevet opdaget og den fjerneste begivenhed med en optisk efterglød.

"Vi forventede bestemt ikke at opdage en fjern SGRB, da de er ekstremt sjældne og meget svage, " sagde Northwesterns Wen-fai Fong, en seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi udfører 'forensics' med teleskoper for at forstå dets lokale miljø, fordi hvordan dens hjemmegalakse ser ud kan fortælle os meget om den underliggende fysik i disse systemer."

Kerry Paterson, undersøgelsens første forfatter, sagde, "Vi tror på, at vi afdækker toppen af ​​isbjerget i form af fjerne SGRB'er. Det motiverer os til yderligere at studere tidligere begivenheder og intenst undersøge fremtidige."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

Fong er assisterende professor i fysik og astronomi i Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences og medlem af CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics). Paterson er postdoktor i CIERA.

Nogle af de mest energiske og lyseste eksplosioner i universet, SGRB'er opstår højst sandsynligt, når to neutronstjerner smelter sammen. Denne fusion forårsager et kortvarigt udbrud af gammastråler, som er den mest energiske form for lys. Astronomer opdager typisk kun syv eller otte SGRB'er hvert år, der er vellokaliserede nok til yderligere observationer. Og fordi deres efterglød typisk varer, højst, et par timer før det går i glemmebogen, de bliver sjældent længe nok til, at astronomer kan se nærmere.

Men med SGRB181123B, astronomer var heldige. NASAs Neil Gehrels Swift Observatory opdagede først begivenheden på Thanksgiving-aften i 2018. Inden for få timer, Northwestern-holdet fik fjernadgang til det internationale Gemini Observatory, ved hjælp af Gemini-North-teleskopet, placeret på toppen af ​​Mauna Kea på Hawaii. Ved at bruge dette 8,1 meter teleskop, forskerne målte SGRB181123B's optiske efterglød.

Med opfølgende observationer ved hjælp af Gemini-Syd i Chile, MMT i Arizona og Keck på Hawaii, holdet indså, at SGRB181123B kan være længere væk end de fleste.

"Vi var i stand til at opnå dybe observationer af eksplosionen få timer efter dens opdagelse, " sagde Paterson. "Tvillingbillederne var meget skarpe, giver os mulighed for at lokalisere en bestemt galakse i universet."

Fong tilføjede, "Med SGRB'er, du vil ikke opdage noget, hvis du kommer for sent til himlen. Men en gang imellem, hvis du reagerer hurtigt nok, du vil lande på en virkelig smuk detektion som denne."

Et glimt ind i en kosmisk højmiddag

For at afdække SGRB's afstand fra Jorden, holdet fik derefter adgang til en nær-infrarød spektrograf på Gemini-Syd, som kan sondere rødere bølgelængder. Ved at tage et spektrum af værtsgalaksen, forskerne indså, at de serendipitalt havde afsløret en fjern SGRB.

Efter at have identificeret værtsgalaksen og beregnet afstanden, Fong, Paterson og deres team var i stand til at bestemme nøgleegenskaberne for forældrestjernepopulationerne i den galakse, der producerede begivenheden. Fordi SGRB181123B dukkede op, da universet kun var omkring 30 % af dets nuværende alder - i en epoke kendt som "kosmisk højmiddag" - tilbød det en sjælden mulighed for at studere neutronstjernefusionerne fra dengang universet var en "teenager".

Da SGRB181123B fandt sted, universet var utroligt travlt, med hurtigt dannede stjerner og hurtigt voksende galakser. Massive binære stjerner har brug for tid for at blive født, udvikler sig og dør - til sidst forvandles til et par neutronstjerner, der til sidst smelter sammen.

"Det har længe været ukendt, hvor lang tid neutronstjerner - især dem, der producerer SGRB'er - tager at smelte sammen, " sagde Fong. "At finde en SGRB på dette tidspunkt i universets historie tyder på, at på et tidspunkt, hvor universet dannede en masse stjerner, neutronstjerneparret kan have fusioneret ret hurtigt."