Zderzenie gwiazd neutronowych w kosmicznej rzece gazu

Astronomowie zaobserwowali zderzenie dwóch gwiazd neutronowych w miejscu, w którym nikt się tego nie spodziewał – w maleńkiej galaktyce zanurzonej w gigantycznym strumieniu gazu międzygalaktycznego. To zjawisko, znane jako GRB 230906A, pomaga wyjaśnić, skąd biorą się złoto, platyna i inne ciężkie pierwiastki daleko poza jasnymi dyskami galaktyk.

Ta grafika przedstawia prawdopodobne odkrycie zderzenia dwóch gwiazd neutronowych, dokonane przez Obserwatorium Rentgenowskie Chandra NASA i inne teleskopy, w maleńkiej galaktyce ukrytej w ogromnym strumieniu gazu. To pierwszy raz, kiedy zderzenie gwiazd neutronowych zostało zaobserwowane w takim miejscu. Źródło: Zdjęcie rentgenowskie: NASA/CXC/Penn State Univ./S. Dichiara; IR: NASA/ESA/STScI; Ilustracja: ERC BHianca 2026 / Fortuna i Dichiara, CC BY-NC-SA 4.0; Przetwarzanie obrazu: NASA/CXC/SAO/P. Edmondsa

Rozbłysk gamma z nikąd

GRB 230906A został zarejestrowany 6 września 2023 r. przez satelitę Fermi oraz inne obserwatoria gamma NASA, jako krótki, ale niezwykle energetyczny błysk promieniowania. Tego typu krótkotrwałe błyski gamma (short GRB) trwają zaledwie ułamki sekund do kilku sekund i są uważane za sygnaturę zderzeń gwiazd neutronowych – skrajnie gęstych pozostałości po masywnych gwiazdach.

Najciekawsze okazało się jednak miejsce, z którego pochodził sygnał. Precyzyjne obserwacje wykonane przez Kosmiczne Obserwatorium Rentgenowskie Chandra i Kosmiczny Teleskop Hubble’a pozwoliły namierzyć źródło w bardzo słabej galaktyce karłowatej odległej o około 4,7 miliarda lat świetlnych. Co więcej, galaktyka ta jest zanurzona w potężnym strumieniu gazu o długości około 600 tysięcy lat świetlnych – dłuższym niż sześciokrotna średnica Drogi Mlecznej.

Podwójne zderzenie w galaktycznym strumieniu

Międzygalaktyczne rzeki gazu powstają zwykle podczas zderzeń i łączenia się dużych galaktyk. Grawitacja rozciąga wtedy gaz oraz gwiazdy, tworząc długie ogony i strumienie materii, z których mogą kondensować się mniejsze, wtórne galaktyki karłowate.

Zespół kierowany przez Simone Dichiara (Penn State) pokazuje, że właśnie w takiej świeżo utworzonej galaktyce karłowatej doszło do zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. To tak naprawdę nałożone na siebie dwa zlewania się układów: najpierw przez setki milionów lat zderzały się galaktyki, a z ich wymieszanych gwiazd powstał ciasny układ dwóch masywnych gwiazd. Po ich wybuchach jako supernowe pozostały gwiazdy neutronowe, które w końcu również się zderzyły, generując GRB 230906A.

Takie środowisko – mała, słaba galaktyka w strumieniu gazu – praktycznie nie świeci w optycznym przeglądzie nieba, dlatego wiele podobnych rozbłysków wcześniej wyglądało tak, jakby… nie miało galaktyki macierzystej. Nowy wynik sugeruje, że część bezdomnych GRB może w rzeczywistości pochodzić z takich ukrytych, wtórnych galaktyk karłowatych.

Fabryka złota daleko od centrów galaktyk

Zderzenia gwiazd neutronowych są jednym z głównych źródeł pierwiastków cięższych od żelaza, powstających w tzw. procesie r (rapid neutron capture). Właśnie w takich ekstremalnych warunkach tworzy się większość kosmicznego złota, platyny czy uranu – pierwiastków, z którymi spotykamy się na Ziemi w biżuterii, elektronice czy energetyce jądrowej.

Odkrycie GRB 230906A w odizolowanej galaktyce karłowatej pokazuje, że rozpraszanie tych pierwiastków nie ogranicza się do wnętrz dużych galaktyk. Ciężkie pierwiastki mogą być także wytwarzane i rozsiewane w środowiskach międzygalaktycznych, a następnie wbudowywane w kolejne generacje gwiazd i planet. To ważna wskazówka przy próbach odtworzenia łańcucha dostaw pierwiastków w skali całego Wszechświata.

Jak to wykryto: flota teleskopów

Sam krótki rozbłysk gamma to dopiero początek historii. Po sygnale wysokiej energii astronomowie skierowali teleskopy rentgenowskie, optyczne i radiowe, aby śledzić tzw. poświatę, czyli stopniowo słabnące promieniowanie z miejsca zdarzenia.

Chandra zarejestrowała rozległą poświatę rentgenowską w miejscu, gdzie doszło do zderzenia, pozwalając bardzo precyzyjnie wyznaczyć jego pozycję. Hubble wykonał głębokie zdjęcia optyczne i podczerwone, ujawniając słabą galaktykę karłowatą oraz otaczający ją strumień gazu. Dane z teleskopów Fermi i Swift dostarczyły szczegółów dotyczących samego rozbłysku gamma – jego energetyki i czasu trwania.

Połączenie tych obserwacji z modelami komputerowymi pozwoliło odtworzyć historię systemu: od zderzenia galaktyk, przez powstanie pary gwiazd neutronowych, aż po ich ostateczne zlanie się w jedno, jeszcze bardziej ekstremalne ciało.

Co dalej: polowanie na ukryte galaktyki

GRB 230906A to pierwsza tak dobrze udokumentowana kolizja gwiazd neutronowych w tak nietypowym, odizolowanym środowisku – daleko od jasnych dysków galaktyk. Naukowcy liczą, że dzięki coraz czulszym przeglądom nieba oraz nowym teleskopom – takim jak Obserwatorium im. Very C. Rubin w Chile – podobnych przypadków będzie można znaleźć znacznie więcej.

Każde takie zdarzenie to nie tylko okno na fizykę ekstremalnej materii, ale też naturalne laboratorium do badania rozkładu ciemnej i zwykłej materii w strumieniach powstających podczas zderzeń galaktyk. Im lepiej zrozumiemy, gdzie i jak powstają ciężkie pierwiastki, tym dokładniej będziemy mogli opowiedzieć historię chemicznej ewolucji Wszechświata – włącznie z tym, jak materia z takich odległych zderzeń gwiazd neutronowych ostatecznie trafiła do skał i metali na Ziemi.