Ju längre bort ett objekt ligger i universum, desto svagare syns det genom linsen på ett teleskop.

Så när ett team av astrofysiker ledd av Northwestern University upptäckte en efterglöd av en kort gammastrålning (SGRB) belägen 10 miljarder ljusår bort, de blev chockade. Efterglöd, trots allt, är redan otroligt svaga och snabba signaler - ibland varar de bara timmar.

Känd som SGRB181123B, explosionen inträffade bara 3,8 miljarder år efter Big Bang. Det är den näst mest avlägsna väletablerade SGRB som någonsin upptäckts och den mest avlägsna händelsen med en optisk efterglöd.

"Vi förväntade oss verkligen inte att upptäcka en avlägsen SGRB, eftersom de är extremt sällsynta och mycket svaga, " sa Northwesterns Wen-fai Fong, en senior författare av studien. "Vi utför "kriminalteknik" med teleskop för att förstå dess lokala miljö, för hur dess hemgalax ser ut kan berätta mycket om den underliggande fysiken hos dessa system."

Kerry Paterson, studiens första författare, sa, "Vi tror att vi avslöjar toppen av isberget i termer av avlägsna SGRB. Det motiverar oss att ytterligare studera tidigare händelser och intensivt undersöka framtida."

Studien kommer att publiceras i Astrofysiska tidskriftsbrev .

Fong är biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och medlem av CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics). Paterson är postdoktor i CIERA.

Några av de mest energiska och ljusaste explosionerna i universum, SGRB uppstår troligen när två neutronstjärnor går samman. Denna sammanslagning orsakar en kortlivad explosion av gammastrålar, som är den mest energirika formen av ljus. Astronomer upptäcker vanligtvis bara sju eller åtta SGRB varje år som är tillräckligt vällokaliserade för ytterligare observationer. Och eftersom deras efterglöd vanligtvis varar, som mest, några timmar innan det försvinner i glömska, de dröjer sällan tillräckligt länge för att astronomer ska kunna ta en närmare titt.

Men med SGRB181123B, astronomer hade tur. NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory upptäckte händelsen först på Thanksgiving night 2018. Inom några timmar, Northwestern-teamet fick fjärråtkomst till det internationella Gemini-observatoriet, med hjälp av Gemini-North-teleskopet, ligger på toppen av Mauna Kea på Hawaii. Med hjälp av detta 8,1-meters teleskop, forskarna mätte SGRB181123B:s optiska efterglöd.

Med uppföljande observationer med hjälp av Gemini-South i Chile, MMT i Arizona och Keck på Hawaii, teamet insåg att SGRB181123B kan vara mer avlägsen än de flesta.

"Vi kunde få djupa observationer av explosionen bara timmar efter upptäckten, " sa Paterson. "Tvillingbilderna var mycket skarpa, så att vi kan peka ut platsen för en specifik galax i universum."

Fong lade till, "Med SGRB, du kommer inte att upptäcka någonting om du kommer till himlen för sent. Men då och då, om du reagerar tillräckligt snabbt, du kommer att landa på en riktigt vacker upptäckt som denna."

En glimt av en kosmisk högmiddag

För att avslöja SGRB:s avstånd från jorden, teamet fick sedan tillgång till en nära-infraröd spektrograf på Gemini-South, som kan sondera rödare våglängder. Genom att ta ett spektrum av värdgalaxen, forskarna insåg att de på ett serendipitalt sätt hade upptäckt en avlägsen SGRB.

Efter att ha identifierat värdgalaxen och beräknat avståndet, Fong, Paterson och deras team kunde bestämma nyckelegenskaperna hos stjärnpopulationerna i den galax som orsakade händelsen. Eftersom SGRB181123B dök upp när universum bara var cirka 30 % av sin nuvarande ålder – under en epok känd som "kosmisk högmiddag" – erbjöd det en sällsynt möjlighet att studera neutronstjärnans sammanslagningar från när universum var en "tonåring".

När SGRB181123B inträffade, universum var otroligt upptaget, med snabbt bildade stjärnor och snabbväxande galaxer. Massiva binära stjärnor behöver tid för att födas, utvecklas och dör – äntligen förvandlas till ett par neutronstjärnor som så småningom smälter samman.

"Det har länge varit okänt hur lång tid det tar för neutronstjärnor - särskilt de som producerar SGRB - att smälta samman, "Fong sa. "Att hitta en SGRB vid denna tidpunkt i universums historia tyder på att, vid en tidpunkt då universum bildade massor av stjärnor, neutronstjärneparet kan ha smält ihop ganska snabbt."