Sorte hullers ordnede kaos

Under dannelsen af ​​et sort hul, der produceres et stærkt udbrud af meget energisk lys i form af gammastråler, disse begivenheder kaldes gammastråleudbrud. Fysikken bag dette fænomen omfatter mange af de mindst forståede felter inden for fysik i dag:generel tyngdekraft, ekstreme temperaturer og acceleration af partikler langt ud over energien fra de kraftigste partikelacceleratorer på Jorden.

For at analysere disse gammastråleudbrud, forskere fra universitetet i Genève (UNIGE), i samarbejde med Paul Scherrer Institute (PSI) i Villigen, Schweiz, Instituttet for højenergifysik i Beijing og det nationale center for atomforskning i Swierk i Polen, byggede POLAR-instrumentet til at analysere gammastråleudbrud, som blev sendt i 2016 til det kinesiske Tiangong-2 rumlaboratorium. I modsætning til gængse teorier, de første resultater af POLAR afslører, at de højenergifotoner, der kommer fra gammastråleudbrud, hverken er fuldstændig kaotiske, heller ikke helt organiseret, men en blanding af de to:Inden for korte tidsintervaller, fotonerne er fundet at oscillere i samme retning, men oscillationsretningen ændrer sig med tiden. Disse uventede resultater er rapporteret i et nyligt nummer af tidsskriftet Natur astronomi .

Når to neutronstjerner kolliderer eller en supermassiv stjerne kollapser ind i sig selv, der skabes et sort hul. Denne fødsel er ledsaget af et gammastråleudbrud (GRB) - en meget energisk lysbølgelængde som den, der udsendes af radioaktive kilder.

Er det sorte huls fødselsmiljø organiseret eller kaotisk?

Hvordan og hvor gammastrålerne produceres er stadig et mysterium, og der er to tankegange om deres oprindelse. Den første forudsiger, at fotoner fra GRB'er er polariserede, hvilket betyder, at de fleste af dem svinger i samme retning. Hvis dette var tilfældet, kilden til fotonerne ville sandsynligvis være et stærkt og velorganiseret magnetfelt dannet under de voldsomme eftervirkninger af produktionen af ​​sorte hul. En anden teori antyder, at fotonerne ikke er polariserede, indebærer et mere kaotisk emissionsmiljø. Men hvordan tjekker man dette?

"Vores internationale teams har bygget den første kraftfulde og dedikerede detektor, kaldet POLAR, i stand til at måle polariseringen af ​​gammastråler fra GRB'er. Dette instrument giver os mulighed for at lære mere om deres kilde, " sagde Xin Wu, professor ved Institut for Kernefysik og Partikelfysik ved UNIGEs Naturvidenskabelige Fakultet. Dens betjening er enkel. Det er en firkant på 50 x 50 cm ² bestående af 1600 scintillatorstænger, hvor gammastrålerne kolliderer med de atomer, der udgør disse stænger. Når en foton støder sammen i en bar, vi kan måle det. Bagefter, det kan producere en anden foton, som kan forårsage en anden synlig kollision. "Hvis fotonerne er polariserede, vi observerer en retningsafhængig afhængighed mellem fotonernes anslagspositioner, fortsætter Nicolas Produit, forsker ved Institut for Astronomi på Det Naturvidenskabelige Fakultet i UNIGE. Tværtimod, hvis der ikke er nogen polarisering, den anden foton som følge af den første kollision vil forlade i en fuldstændig tilfældig retning."

Orden i kaos

Om seks måneder, POLAR har registreret 55 gammastråleudbrud, og videnskabsmand analyserede polariseringen af ​​gammastråler fra de fem lyseste. Resultaterne er overraskende, mildest talt. "Når vi analyserer polariseringen af ​​et gammastråleudbrud som helhed, vi ser højst en meget svag polarisering, som tydeligvis synes at favorisere flere teorier, " siger Merlin Kole, en forsker ved Institut for Kernefysik og Partikelfysik på Det Naturvidenskabelige Fakultet i UNIGE og en af ​​hovedforfatterne til artiklen.

Stillet over for dette første resultat, forskerne kiggede mere detaljeret på et meget kraftigt ni sekunder langt gammastråleudbrud og skar det i tidsintervaller på to sekunder. "Der, vi opdagede med overraskelse, at tværtimod, fotonerne er polariserede i hver skive, men oscillationsretningen er forskellig i hver skive, " siger Xin Wu. Det er denne skiftende retning, der får den fulde GRB til at fremstå som meget kaotisk og upolariseret. "Resultaterne viser, at når eksplosionen finder sted, sker der noget, der får fotonerne til at blive udsendt med en anden polarisationsretning. Hvad dette kunne være, vi ved det virkelig ikke, siger Kole.

Disse første resultater konfronterer teoretikerne med ny information, kræver, at de producerer mere detaljerede forudsigelser. "Vi vil nu bygge POLAR-2, som bliver større og mere præcis. Med det, vi kan grave dybere ned i disse kaotiske processer for at opdage kilden til gammastrålerne og opklare mysterierne bag disse meget energiske fysiske processer, " forklarer Nicolas Produit.