Snabb uppföljning av den optiska efterglödningen från en av de mest avlägsna bekräftade korta gammastrålningsskurarna (SGRB), tros vara sammanslagning av två neutronstjärnor, kastar nytt ljus på dessa gåtfulla föremål. Observationerna, gjord av det internationella Gemini Observatory, ett program från NSF:s NOIRLab, bekräftade objektets avstånd och placerade det rakt i epoken av kosmisk högmiddag, när universum var i "tonåren" och snabbt bildade stjärnor. Uppkomsten av en SGRB så tidigt i universums historia kan förändra teorier om deras ursprung, i synnerhet hur lång tid det tar två neutronstjärnor att smälta samman för att producera dessa kraftfulla händelser. Exakt lokaliserade SGRB är sällsynta, vanligtvis detekteras bara 7-8 per år, och detta är den mest avlägsna högsäkerhets-SGRB med en optisk efterglödsdetektion.

Forskare har använt det 8,1 meter långa Gemini North-teleskopet för att mäta det optiska efterskenet från en av de mest avlägsna korta gammastrålningsskurar (SGRB) som någonsin studerats. Tros vara resultatet av sammanslagning av två neutronstjärnor, SGRB är katastrofala händelser som är nästan outgrundliga när det gäller deras grundläggande egenskaper, släpper ut enorma mängder energi på ungefär en sekund. Gemini observationer av en ny, avlägsna SGRB föreslår nu att denna process kan ske förvånansvärt snabbt för vissa system - med massiva binära stjärnsystem som överlever supernovaexplosioner för att bli neutronstjärnebinärer, och binärerna spiralerar sedan ihop på mindre än en miljard år för att skapa en SGRB. Forskningen kommer att publiceras i he Astrofysiska tidskriftsbrev .

Detta föremål, namnet GRB181123B eftersom det var den andra explosionen som upptäcktes den 23 november 2018 – Thanksgiving night – upptäcktes ursprungligen av NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory. När larmet om en händelse från Swift-satelliten sändes runt om i världen, flera teleskop tränade sin syn på det. Inom timmar, ett team från Northwestern University använde Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS), som också är en avbildare, på Gemini North-teleskopet på Maunakea i Hawai'i för att registrera objektets mycket svaga eftersken.

"Vi utnyttjade de unika snabba svarsfunktionerna och utsökta känsligheten hos Gemini North och dess GMOS-bildapparat för att få djupa observationer av skuren bara timmar efter upptäckten, " sa Kerry Paterson från Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) vid Northwestern University, U.S., som ledde forskargruppen. "Tvillingbilderna var väldigt skarpa, och tillät oss att lokalisera en specifik galax."

"Detta är ett underbart exempel på tidsdomänastronomi, innebär extremt snabb uppföljning av en händelse i snabb utveckling, ", sa Hans Krimm från US National Science Foundation. "Tvillingarnas snabba reaktion var avgörande för att fånga denna händelse snabbt, och de optiska och infraröda data ökar spänningen i multi-budbärarastronomi – där observationer av ljus, gravitationsvågor, neutriner och kosmiska strålar samlas för att berätta en fängslande historia."

Tillsammans med Gemini-observationerna, teamet gjorde uppföljningsobservationer med W. M. Keck-observatoriet i Hawaii och Multi-Mirror Telescope (MMT), belägen vid Fred Lawrence Whipple Observatory på Mount Hopkins i Arizona. Forskarna använde sedan Gemini South infraröd kamera och spektrograf, FLAMINGOS-2, i Chile för att få ett spektrum av värdgalaxen för att fastställa SGRB:s avstånd. Objektet visade sig vara cirka 10 miljarder ljusår bort, vilket gör det till den näst mest avlägsna bekräftade SGRB, och den mest avlägsna högsäkerhets-SGRB med en optisk efterglödsdetektion. Jämfört med upptäckterna av gravitationsvågor från sammanslagna neutronstjärnor i det mycket närliggande universum, SGRB är avlägsna analoger.

"Identifieringen av vissa mönster i spektrumet, tillsammans med galaxens färger från de tre observatorierna, tillät oss att exakt begränsa avståndet och befästa det som en av de mest avlägsna SGRB:erna hittills under 16 år av Swift-verksamhet, sa Paterson.

Snabb uppföljning av sprängupptäckten från Swift var avgörande. Många SGRB:er kan inte observeras med ett teleskop i tid för att fånga det optiska ljuset. Ljuset från efterskenet avtar snabbt och det kan ta motsvarande lång tid för en stor, känsligt teleskop för att avbryta sin normala observationsplan och flytta till det nya målet för att påbörja sina uppföljande observationer.

När den optiska detekteringen av SGRB gjordes med Gemini, och dess värdgalax identifierades, teamet kunde bestämma nyckelegenskaperna hos moderstjärnpopulationen i galaxen som producerade SGRB.

"Att utföra "kriminalteknik" för att förstå den lokala miljön för SGRB och hur deras hemgalaxer ser ut kan berätta mycket om den underliggande fysiken hos dessa system, till exempel hur SGRB-föräldrar bildas och hur lång tid det tar för dem att smälta samman, " sa Wen-fai Fong från Northwestern University och medförfattare till studien. "Vi förväntade oss verkligen inte att upptäcka en extremt avlägsen SGRB, eftersom de är mycket sällsynta och svaga, men vi blev positivt överraskade! Detta motiverar oss att gå efter alla som vi kan."

Majoriteten av de 43 högsäkerhets-SGRB som användes i studien och som hittills har fått sina avstånd uppmätta har hittats närmare hemmet. Avlägsna SGRB erbjuder ett unikt sätt att studera samma typer av händelser när universum var mycket yngre - en hektisk period i universum när stjärnor snabbt bildades och galaxer växte snabbt. Tillägget av ytterligare en mycket avlägsen SGRB till befolkningen kan förändra astronomers förståelse av dessa händelser – i synnerhet, hur lång tid det tar två neutronstjärnor att smälta samman, och hastigheten för sammanslagningar av neutronstjärnor under denna epok av universums historia. "Att hitta en SGRB så tidigt i universums historia tyder på att åtminstone några neutronstjärnepar kan behöva mötas relativt snabbt, " enligt Fong.

"Med de rätta teleskopiska resurserna och dedikerade uppföljningsfaciliteter, som Gemini Observatory, vi kan öppna en ny era av upptäckten av avlägsna SGRB, motivera ytterligare uppföljningsstudier av tidigare händelser och liknande intensiv uppföljning av framtida, sa Paterson.