Forskere identificerer oprindelsen af ​​fotoner i mystiske gammastråleudbrud

Forskere fra RIKEN Cluster for Pioneering Research og samarbejdspartnere har brugt simuleringer til at vise, at de fotoner, der udsendes af lange gammastråleudbrud, blandt de mest energiske begivenheder, der finder sted i universet, stammer fra fotosfæren - den synlige del af den "relativistiske jet", der udsendes af eksploderende stjerner.

Gammastråleudbrud er det kraftigste elektromagnetiske fænomen, der er observeret i universet, frigiver lige så meget energi på blot et sekund eller deromkring, som solen vil frigive i hele sin levetid. Selvom de blev opdaget i 1967, mekanismen bag denne enorme frigivelse af energi forblev længe mystisk. Årtiers undersøgelser afslørede endelig, at en type kaldet lange udbrud stammer fra relativistiske jetstråler af stof, der udstødes under massive stjerners død. Imidlertid, præcis, hvordan gammastråler produceres fra strålerne, er stadig ukendt.

Den aktuelle forskning, udgivet i Naturkommunikation , begyndte fra en opdagelse kaldet Yonetoku-relationen, som oprindeligt blev lavet af en af ​​forfatterne til papiret. Dette forhold mellem den spektrale spidsenergi og spidslysstyrken af ​​GRB'er er den strammeste korrelation, der hidtil er fundet i egenskaberne for GRB-emission. Det giver således den bedste diagnostik hidtil til at forklare emissionsmekanismen, og den strengeste test for enhver model af gammastråleudbrud. I øvrigt, forholdet betød også, at lange gamma-stråleudbrud kunne bruges som et "standardlys" til afstandsmåling, giver astronomer mulighed for at kigge længere ind i fortiden end type 1A supernovaer, som er almindeligt brugt i dag, men er meget svagere. Dette ville gøre det muligt at få indsigt i universets historie, og kunne producere indsigt i mysterier som mørkt stof og mørk energi.

Ved hjælp af computersimuleringer udført på flere supercomputere, herunder Aterui fra Japans National Astronomical Observatory, Hokusai af RIKEN, og Cray xc40 fra Yukawa Institute for Theoretical Physics, gruppen fokuserede på den såkaldte "fotosfæriske emission"-model, en af ​​de førende modeller for emissionsmekanismen for GRB'er. Denne model postulerer, at de fotoner, der er synlige på jorden, udsendes fra fotosfæren af ​​den relativistiske jet. Efterhånden som strålen udvider sig, det bliver lettere for fotoner at undslippe inde fra det, da der er færre genstande til rådighed til at sprede lyset. Dermed, den "kritiske tæthed" - stedet hvor det bliver muligt for fotonerne at undslippe - bevæger sig nedad gennem strålen til materiale, der oprindeligt havde højere og højere tætheder.

For at teste modellens gyldighed, holdet satte sig for at teste det på en måde, der tog højde for den globale dynamik af relativistiske jetfly og strålingsoverførsel. Ved at bruge en kombination af tredimensionelle relativistiske hydrodynamiske simuleringer og strålingsoverførselsberegninger til at evaluere fotosfæriske emissioner fra en relativistisk stråle, der bryder ud af massiv stjernekappe, de var i stand til at fastslå, at i det mindste i tilfælde af lange GRB'er - typen forbundet med sådanne kollapsende massive stjerner - virkede modellen. Deres simuleringer afslørede, at Yonetoku-relationen kunne reproduceres som en naturlig konsekvens af jet-stjerne-interaktionerne. "Til os, " siger Hirotaka Ito fra Cluster for Pioneering Research, "dette tyder stærkt på, at fotosfærisk emission er emissionsmekanismen for GRB'er."

Han fortsætter, "Mens vi har belyst oprindelsen af ​​fotonerne, der er stadig mysterier om, hvordan de relativistiske jetfly selv genereres af de kollapsende stjerner. Vores beregninger skulle give værdifuld indsigt til at se på den grundlæggende mekanisme bag genereringen af ​​disse enormt magtfulde begivenheder."