Astronomen verfolgen kurze Gammastrahlenausbrüche weiter in fernes Universum

Unter Verwendung mehrerer hochempfindlicher Instrumente und ausgefeilter Galaxienmodellierung lokalisierten die Forscher die galaktische Heimat von 84 SGRBs und untersuchten die Eigenschaften von 69 der identifizierten Wirtsgalaxien. Bildnachweis: Bild von WM Keck Observatory/Adam Makarenko

Die bisher robusteste Bestandsaufnahme katalogisiert die Wirtsgalaxien und Eigenschaften von SGRBs.

  • Anhand von Beobachtungen und Modellen bestimmten Astronomen die Ursprünge von 84 SGRBs und vervierfachten die vorhandenen Proben.
  • Sie fanden heraus, dass 85 % der SGRBs im Katalog aus jungen, aktiv Sternentstehungsgalaxien stammen und 20–40 % der SGRBs entstanden, als das Universum viel jünger war.
  • Das Team entdeckte auch, dass mehrere SGRBs außerhalb ihrer Wirtsgalaxien gesichtet wurden, als ob sie „rausgeschmissen“ worden wären.
  • Forscher: „Unser Katalog dient als Vergleichsmaßstab für zukünftige Entdeckungen von
    Neutronenstern
    Ein Neutronenstern ist der kollabierte Kern eines großen Sterns (zwischen 10 und 29 Sonnenmassen). Neutronensterne sind die kleinsten und dichtesten bekannten Sterne. Obwohl Neutronensterne typischerweise einen Radius in der Größenordnung von nur 10 bis 20 Kilometern (6 bis 12 Meilen) haben, können sie Massen von etwa 1,3 bis 2,5 Sonnenmassen haben.

    ” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Neutronenstern[{“attribute=””>neutronstar Fusionen“.

Ein Team von Astronomen, angeführt von

Nordwestliche Universität
Die Northwestern University (NU) wurde 1851 gegründet und ist eine private Forschungsuniversität mit Sitz in Evanston, Illinois, USA. Northwestern ist bekannt für seine McCormick School of Engineering and Applied Science, die Kellogg School of Management, die Feinberg School of Medicine, die Pritzker School of Law, die Bienen School of Music und die Medill School of Journalism.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>NorthwesternUniversity[{“attribute=””>NorthwesternUniversityhat das bisher umfassendste Inventar der Galaxien entwickelt, aus denen kurze Gammastrahlenausbrüche (SGRBs) stammen.

Unter Verwendung mehrerer hochempfindlicher Instrumente und ausgefeilter Galaxienmodellierung lokalisierten die Wissenschaftler die galaktische Heimat von 84 SGRBs und untersuchten die Eigenschaften von 69 der identifizierten Wirtsgalaxien. Unter anderem entdeckten sie, dass etwa 85 % der untersuchten SGRBs aus jungen, aktiv sternbildenden Galaxien stammen.

Die Astronomen fanden auch heraus, dass mehr SGRBs zu früheren Zeiten auftraten, als das Universum viel jünger war – und mit größeren Entfernungen von den Zentren ihrer Wirtsgalaxien – als bisher bekannt. Überraschenderweise wurden mehrere SGRBs weit außerhalb ihrer Wirtsgalaxien gesichtet – als ob sie „rausgeschmissen“ worden wären, ein Befund, der die Frage aufwirft, wie sie so weit weg reisen konnten.

„Dies ist der größte Katalog von SGRB-Gastgalaxien, der je existiert hat, daher erwarten wir, dass er für viele Jahre der Goldstandard sein wird“, sagte Anya Nugent, eine Doktorandin aus dem Nordwesten, die die Studie leitete, die sich auf die Modellierung von Wirtsgalaxien konzentrierte. „Diesen Katalog zu erstellen und endlich genügend Wirtsgalaxien zu haben, um Muster zu sehen und signifikante Schlussfolgerungen zu ziehen, ist genau das, was das Feld brauchte, um unser Verständnis dieser fantastischen Ereignisse und dessen, was mit Sternen nach ihrem Tod passiert, voranzutreiben.“

Kurze Gammastrahlenausbrüche beherbergen Galaxien über die kosmische Zeit

Kurze Gammastrahlenausbrüche beherbergen Galaxien über kosmische Zeit. Bildnachweis: WM-Keck-Observatorium/Adam Makarenko

Das Team veröffentlichte zwei Artikel, die den neuen Katalog detailliert beschreiben. Beide Artikel erschienen in Das Astrophysikalische Journal am Montag, 21.11. Da SGRBs zu den hellsten Explosionen im Universum gehören, nennt das Team seinen Katalog BRIGHT (Broadband Repository for Investigating Gamma-ray burst Host Traits). Alle Daten- und Modellierungsprodukte von BRIGHT sind öffentlich online zur Nutzung durch die Community verfügbar.

Nugent ist Doktorand in Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern und Mitglied des Zentrums für interdisziplinäre Erforschung und Forschung in der Astrophysik (CIERA). Sie wird beraten von Wen-fai Fong, einem Assistenzprofessor für Physik und Astronomie am Weinberg und einem Schlüsselmitglied von CIERA, der eine zweite Studie leitete, die sich auf SGRB-Wirtsbeobachtungen konzentrierte.

Benchmark für zukünftige Vergleiche

Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, erzeugen sie kurze Blitze aus intensivem Gammastrahlenlicht, die als SGRBs bekannt sind. Während die Gammastrahlen nur wenige Sekunden andauern, kann das optische Licht Stunden andauern, bevor es unter die Nachweisgrenze abfällt (ein Ereignis, das als Nachglühen bezeichnet wird). SGRBs gehören zu den leuchtendsten Explosionen im Universum, von denen jedes Jahr höchstens ein Dutzend entdeckt und lokalisiert wird. Sie stellen derzeit die einzige Möglichkeit dar, eine große Population verschmelzender Neutronensternsysteme zu untersuchen und zu verstehen.

Seit

NASA
Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) wurde 1958 gegründet und ist eine unabhängige Behörde der US-Bundesregierung, die die Nachfolge des National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) angetreten hat. Es ist zuständig für das zivile Raumfahrtprogramm sowie die Luft- und Raumfahrtforschung. Seine Vision ist "Wissen zum Wohle der Menschheit entdecken und erweitern." Seine Grundwerte sind "Sicherheit, Integrität, Teamarbeit, Exzellenz und Inklusion."

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>NASA[{“attribute=””>NASA‘s Neil Gehrels Swift Observatory im Jahr 2005 erstmals ein SGRB-Nachglühen entdeckte, haben Astronomen die letzten 17 Jahre damit verbracht, zu verstehen, welche Galaxien diese starken Ausbrüche erzeugen. Sterne innerhalb einer Galaxie können einen Einblick in die Umweltbedingungen geben, die für die Produktion von SGRBs erforderlich sind, und können die mysteriösen Ausbrüche mit ihren Ursprüngen bei der Verschmelzung von Neutronensternen in Verbindung bringen. Bisher hat nur ein SGRB (GRB 170817A) einen bestätigten Neutronenstern-Verschmelzungsursprung – da er nur Sekunden nach der Beobachtung der binären Neutronenstern-Verschmelzung (GW170817) durch Gravitationswellendetektoren entdeckt wurde.

„In einem Jahrzehnt wird die nächste Generation von Gravitationswellen-Observatorien in der Lage sein, Verschmelzungen von Neutronensternen in denselben Entfernungen zu erkennen, wie wir es heute mit SGRBs tun“, sagte Fong. „Damit dient unser Katalog als Vergleichsmaßstab für zukünftige Nachweise von Neutronensternverschmelzungen.“

„Der Katalog kann über eine einzige Klasse von Transienten wie SGRBs hinaus wirklich Wirkung erzielen“, sagte Yuxin „Vic“ Dong, Co-Autor der Studie und Ph.D. Student im Nordwesten. „Angesichts der Fülle an Daten und Ergebnissen, die im Katalog präsentiert werden, glaube ich, dass eine Vielzahl von Forschungsprojekten davon Gebrauch machen wird, vielleicht sogar auf eine Weise, an die wir noch nicht gedacht haben.“

Einblick in Neutronensternsysteme

Um den Katalog zu erstellen, verwendeten die Forscher mehrere hochempfindliche Instrumente am WM Keck Observatory, den Gemini Observatories, dem MMT Observatory, dem Large Binocular Telescope Observatory und den Magellan Telescopes am Las Campanas Observatory, um tiefe Bilder und Spektroskopie einiger der schwächsten Galaxien aufzunehmen in der Befragung von SGRB-Gastgebern identifiziert. Das Team verwendete auch Daten von zwei der Great Observatories der NASA, der

Hubble-Weltraumteleskop
Das Hubble-Weltraumteleskop (oft als Hubble oder HST bezeichnet) ist eines der großen Observatorien der NASA und wurde 1990 in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht. Es ist eines der größten und vielseitigsten Weltraumteleskope im Einsatz und verfügt über einen 2,4-Meter-Spiegel und vier Hauptinstrumente, die im ultravioletten, sichtbaren und nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums beobachten. Es wurde nach dem Astronomen Edwin Hubble benannt.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Hubble-Weltraumteleskop[{“attribute=””>HubbleSpaceTelescope und Spitzer-Weltraumteleskop.

„Dies ist der größte Katalog von SGRB-Gastgalaxien, der je existiert hat, daher erwarten wir, dass dies für viele Jahre der Goldstandard sein wird.“

Anya Nugent, Doktorandin der Astrophysik

Vor diesen neuen Studien charakterisierten Astronomen Wirtsgalaxien von nur ein paar Dutzend SGRBs. Der neue Katalog umfasst die vierfache Anzahl bestehender Muster. Mit dem Vorteil eines viel größeren Datensatzes zeigt der Katalog, dass SGRB-Wirtsgalaxien entweder jung und sternbildend sein können oder alt und dem nahenden Tod. Das bedeutet, dass sich Neutronensternsysteme in einer Vielzahl von Umgebungen bilden und viele von ihnen kurze Zeitskalen von der Entstehung bis zur Verschmelzung haben. Da bei der Verschmelzung von Neutronensternen schwere Elemente wie Gold und Platin entstehen, werden die Daten des Katalogs auch das Verständnis der Wissenschaftler darüber vertiefen, wann Edelmetalle erstmals im Universum entstanden sind.

„Wir vermuten, dass die jüngeren SGRBs, die wir in jüngeren Wirtsgalaxien gefunden haben, aus Doppelsternsystemen stammen, die sich in einem „Ausbruch“ der Sternentstehung gebildet haben und so eng miteinander verbunden sind, dass sie sehr schnell verschmelzen können“, sagte Nugent. „Langjährige Theorien deuten darauf hin, dass es Möglichkeiten geben muss, Neutronensterne schnell zu verschmelzen, aber bis jetzt konnten wir sie nicht beobachten. Wir finden Hinweise auf ältere SGRBs in viel älteren Galaxien und glauben, dass die Sterne in diesen Galaxien entweder länger gebraucht haben, um einen Doppelstern zu bilden, oder ein Doppelsternsystem waren, das weiter getrennt war. Daher dauerte es länger, bis diese zusammengeführt wurden.“

Potenzial von JWST

Mit der Fähigkeit, die schwächsten Wirtsgalaxien aus sehr frühen Zeiten im Universum zu erkennen, hat das neue Infrarot-Flaggschiff-Observatorium der NASA, das

James-Webb-Weltraumteleskop
Das James Webb Space Telescope (JWST oder Webb) ist ein umlaufendes Infrarot-Observatorium, das die Entdeckungen des Hubble-Weltraumteleskops ergänzen und erweitern wird. Es deckt längere Lichtwellenlängen mit stark verbesserter Empfindlichkeit ab und ermöglicht es ihm, in Staubwolken zu sehen, wo sich heute Sterne und Planetensysteme bilden, sowie weiter in die Vergangenheit zu blicken, um die ersten Galaxien zu beobachten, die sich im frühen Universum gebildet haben.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>JamesWebbWeltraumteleskop[{“attribute=””>JamesWebbSpaceTelescope (JWST) ist bereit, das Verständnis der Verschmelzungen von Neutronensternen und ihrer Anfänge in der Zeit weiter voranzutreiben.

„Ich freue mich sehr über die Möglichkeit, mit JWST tiefer in die Ursachen dieser seltenen, explosiven Ereignisse einzudringen“, sagte Nugent. „Die Fähigkeit des JWST, schwache Galaxien im Universum zu beobachten, könnte weitere SGRB-Wirtsgalaxien aufdecken, die sich derzeit der Entdeckung entziehen, und vielleicht sogar eine fehlende Population und eine Verbindung zum frühen Universum aufdecken.“

„Ich habe vor 10 Jahren mit den Beobachtungen für dieses Projekt begonnen, und es war so befriedigend, die Fackel an die nächste Generation von Forschern weitergeben zu können“, sagte Fong. „Es ist eine der größten Freuden meiner Karriere, zu sehen, wie jahrelange Arbeit in diesem Katalog zum Leben erweckt wird, dank der jungen Forscher, die diese Studie wirklich auf die nächste Stufe gebracht haben.“

Verweise:

„Kurze GRB-Wirtsgalaxien. I. Photometric and Spectroscopic Catalogs, Host Associations, and Galactocentric Offsets“ von Wen-fai Fong, Anya E. Nugent, Yuxin Dong, Edo Berger, Kerry Paterson, Ryan Chornock, Andrew Levan, Peter Blanchard, Kate D. Alexander, Jennifer Andrews , Bethany E. Cobb, Antonino Cucchiara, Derek Fox, Chris L. Fryer, Alexa C. Gordon, Charles D. Kilpatrick, Ragnhild Lunnan, Raffaella Margutti, Adam Miller, Peter Milne, Matt Nicholl, Daniel Perley, Jillian Rastinejad, Alicia Rouco Escorial, Genevieve Schroeder, Nathan Smith, Nial Tanvir und Giacomo Terreran, 21. November 2022, Das Astrophysikalische Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac91d0

„Short GRB Host Galaxies II: A Legacy Sample of Redshifts, Stellar Population Properties, and Implications for their Neutron Star Merger Origins“ von Anya E. Nugent, Wen-Fai Fong, Yuxin Dong, Joel Leja, Edo Berger, Michael Zevin, Ryan Chornock, Bethany E. Cobb, Luke Zoltan Kelley, Charles D. Kilpatrick, Andrew Levan, Raffaella Margutti, Kerry Paterson, Daniel Perley, Alicia Rouco Escorial, Nathan Smith und Nial Tanvir, 21. November 2022, Das Astrophysikalische Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac91d1

Die Studien wurden von der National Science Foundation (Preisnummern AST-1814782 und AST-2047919), der David and Lucile Packard Foundation, der Alfred P. Sloan Foundation und der Research Corporation for Scientific Advancement unterstützt.

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