Gamma-ray bursts, cosmic dust and the nature of the burster population
Final Report Abstract
Gamma-Ray Bursts (im Weiteren GRBs) signalisieren die leuchtkräftigsten Explosionen im Universum mit temporären Leuchtkräften bis zum 10^16-fachen der Sonne. Sie unterteilen zwischen langen (> 2 s) und kurzen Bursts (<= 2 s) und gehen entweder auf den Kollaps massereicher Wolf-Rayet-Sterne zurück oder das Verschmelzen von kompakten stellaren Objekten. Erst seit den 1990ern ist erwiesen, dass sie von einem Nachleuchten der Materie am Ort der Explosion gefolgt werden, dem so genannten Afterglow. Diese Afterglows, temporär sichtbar vom Röntgen- bis zum Radioband, waren der Forschungsgegenstand dieses Projekts. Afterglows: Derzeit werden von NASA’s Swift-Satelliten pro Jahr etwa 60 Afterglows im Röntgenband mit einer Genauigkeit von wenigen Bogensekunden detektiert, vornehmlich jene von langen Bursts. Für etwa 3/4 davon gelingt der Nachweis des optischen Gegenstücks im R-Band, aber etwa ein Viertel entzieht sich der Beobachtung, trotz schneller und tiefer Nachfolgebeobachtungen; dies sind die dark bursts. Die gängige Interpretation ist, dies ist entweder Folge von Extinktion durch interstellaren Staub in den GRB-.Muttergalaxien oder Folge des kosmologischen Lyman dropouts, welcher die Lyman-Kante des HI-Gases mit zunehmender Rotverschiebung vom Ultravioletten ins optische Spektrum verschiebt. Das vorliegende Projekt hatte zum Ziel, statistisch relevante Aussagen zum Vorliegen kosmischen Staubes in den räumlichen Umgebungen der Burster zu treffen. Letztlich ging es um die Frage: Welcher der o.g. beiden Prozesse dominiert? Verbunden mit dieser Zielstellung waren Einzeluntersuchungen von Bursts und deren Afterglows. Dem Projekt zugrunde lagen von und für uns ausgeführte Beobachtungen mit GROND am ESO/MPG 2.2-m-Teleskop auf La Silla und mit FORS1, FORS2, HAWK-I, VIMOS sowie ISAAC an den 8.2-m ESO/VLT-Teleskopen auf dem Paranal. Ergebnisse: (1) Eine tiefe Durchmusterung der bis zu rund 10 Bogensekunden großen Röntgenfehlerboxen von 17 dark bursts nach deren potentiellen Muttergalaxien ergab, dass sie in sieben Fällen aus global stark durch kosmischen Staub eingehüllten starburst-Galaxien bei Rotverschiebungen um z=1 bis 2 stammen dürften, d.h. Extinktion durch Staub war die Ursache für ihre Nichtdetektion im Optischen. Kosmologischer Lyman dropout ist nur in den wenigsten Fällen zur Erklärung der Natur der zugehörigen Bursts vonnöten. Diese Galaxien, die sich durch eine extrem rote (R-K)-Farbe auszeichnen, unterscheiden sich deutlich von der Hauptpopulation der GRB- Muttergalaxien. (2) Anhand von Detailuntersuchungen der Afterglows von rund 30 Bursts konnten wir in rund 15 Fällen die visuelle Extinktion in den Muttergalaxien ableiten. In zwei Fällen zeigen die Daten, dass sich der Afterglow im ehemaligen Sternwind des explodierten Sterns entwickelt. (3) Ein homogenes Ensemble von mehr als 30 mit GROND simultan im Rapid Response Mode in sieben photometrischen Bändern, vom blauen bis ins Nahe Infrarot, beobachteten Afterglows belegt, dass der kosmologische Lyman dropout nur für einen Bruchteil der dark bursts verantwortlich ist. Kosmischer Staub, der das Afterglow-Licht im Optischen schwächt, dominiert als Ursache und lässt sich über das Breitbandspektrum der Afterglows bis zu Rotverschiebungen um z=3.5 nachweisen. Schlussfolgerung: Kosmischer Staub in den GRB-Muttergalaxien bewirkt, dass ein deutlicher Prozentsatz der GRB-Afterglows im Optischen nicht detektierbar ist. Ein Teil dieser Bursts entstammt vermutlich global durch kosmischen Staub eingehüllten starburst-Galaxien.
Publications
- A deep search for the host galaxies of GRBs with no detected optical afterglow. Astron. Astroph.
Rossi, A., Klose, S., Ferrero, P., ... Kann, D. A., Schulze, S., Nicuesa Guelbenzu, A., et al.
- A photometric redshift of z = 1.8+0.4−0.3 for the AGILE GRB 080514B. Astron. Astroph. 491 (2008), L29
Rossi, A., ... Ferrero, P., Kann, D. A., Klose, S., Schulze, S. et al.
- The circumburst density profile around GRB progenitors: a statistical study. Astron. Astroph. 526 (2011), A23
Schulze, S., Klose, S., ... Kann, D. A., Rossi, A., et al.
- The Extremely Red Host Galaxy of GRB 080207. Astroph. J. 736 (2011), L36
Hunt, L., ... Rossi, A., Klose, S., et al.
- The nature of “dark” gamma-ray bursts. Astron. Astroph. 526 (2011), A30
Greiner, J., ... Klose, S., Rossi, A., et al.
- The Swift/Fermi GRB 080928 from 1 eV to 150 keV. Astron. Astroph. 529 (2011), A142
Rossi, A., ... Klose, S., Kann, D. A., Nicuesa Guelbenzu, A., et al.
