Faldende stjernestøv, vaklende stråler forklarer blinkende gammastråleudbrud

Et team af astrofysikere ledet af Northwestern University har udviklet den første fulde 3D-simulering nogensinde af en hel udvikling af et jetfly dannet af en kollapsende stjerne eller en "kollapsar".

Fordi disse jetfly genererer gammastråleudbrud (GRB'er) - de mest energiske og lysende begivenheder i universet siden Big Bang - har simuleringerne kastet lys over disse ejendommelige, intense lysudbrud. Deres nye resultater inkluderer en forklaring på det mangeårige spørgsmål om, hvorfor GRB'er på mystisk vis er præget af stille øjeblikke - blinkende mellem kraftige emissioner og en uhyggelig stille stilhed. Den nye simulering viser også, at GRB'er er endnu sjældnere end tidligere antaget.

Den nye undersøgelse vil blive offentliggjort den 29. juni i Astrophysical Journal Letters . Det markerer den første fulde 3D-simulering af hele udviklingen af ​​et jetfly – fra dets fødsel nær det sorte hul til dets emission efter at være flygtet fra den kollapsende stjerne. Den nye model er også den højeste opløsning nogensinde simulering af en storskala jet.

"Disse jetfly er de mest magtfulde begivenheder i universet," sagde Northwesterns Ore Gottlieb, der ledede undersøgelsen. "Tidligere undersøgelser har forsøgt at forstå, hvordan de virker, men disse undersøgelser var begrænset af beregningskraft og måtte omfatte mange antagelser. Vi var i stand til at modellere hele udviklingen af ​​jetflyet helt fra begyndelsen - fra dens fødsel af et sort hul - uden at antage noget om jetflyets struktur. Vi fulgte jetflyet fra det sorte hul hele vejen til emissionsstedet og fandt processer, der er blevet overset i tidligere undersøgelser."

Gottlieb er en Rothschild Fellow i Northwesterns Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Han forfattede papiret sammen med CIERA-medlem Sasha Tchekhovskoy, en assisterende professor i fysik og astronomi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences.

Mærkelig vaklen

Det mest lysende fænomen i universet, GRB'er dukker op, når kernen af ​​en massiv stjerne kollapser under sin egen tyngdekraft og danner et sort hul. Når gas falder ned i det roterende sorte hul, aktiveres det - og sender en stråle ind i den kollapsende stjerne. Strålen slår stjernen, indtil den til sidst flygter fra den, og accelererer med hastigheder tæt på lysets hastighed. Efter at have løsnet sig fra stjernen, genererer strålen en lys GRB.

"Jeten genererer en GRB, når den når omkring 30 gange størrelsen af ​​stjernen - eller en million gange størrelsen af ​​det sorte hul," sagde Gottlieb. "Med andre ord, hvis det sorte hul er på størrelse med en badebold, skal jetflyet udvide sig over hele Frankrigs størrelse, før det kan producere en GRB."

På grund af omfanget af denne skala har tidligere simuleringer ikke været i stand til at modellere den fulde udvikling af jetflyets fødsel og efterfølgende rejse. Ved at bruge antagelser fandt alle tidligere undersøgelser ud af, at jetflyet forplanter sig langs en akse og aldrig afviger fra denne akse.

Men Gottliebs simulering viste noget meget andet. Når stjernen kollapser i et sort hul, falder materiale fra den stjerne ned på skiven af ​​magnetiseret gas, der hvirvler rundt om det sorte hul. Det faldende materiale får skiven til at vippe, hvilket igen vipper strålen. Mens jetflyet kæmper for at tilpasse sig dets oprindelige bane, vakler det inde i kollapsaren.

Denne vaklen giver en ny forklaring på, hvorfor GRB'er blinker. I de stille øjeblikke stopper jetflyet ikke – dets emission stråler væk fra Jorden, så teleskoper kan simpelthen ikke observere det.

"Emission fra GRB'er er altid uregelmæssig," sagde Gottlieb. "Vi ser spidser i emissionen og derefter en hviletid, der varer et par sekunder eller mere. Hele varigheden af ​​en GRB er omkring et minut, så disse hviletider er en ikke ubetydelig brøkdel af den samlede varighed. Tidligere modeller var ikke i stand til at forklare, hvor disse stille tider kom fra. Denne slingren giver naturligvis en forklaring på dette fænomen. Vi observerer strålen, når den peger på os. Men når strålen slingrer for at pege væk fra os, kan vi ikke se dens emission. Dette er del af Einsteins relativitetsteori."

Sjælden bliver sjældnere

Disse vaklende jetfly giver også ny indsigt i hastigheden og arten af ​​GRB'er. Selvom tidligere undersøgelser anslog, at omkring 1 % af kollapsarerne producerer GRB'er, mener Gottlieb, at GRB'er faktisk er meget sjældnere.

Hvis jetflyet var begrænset til at bevæge sig langs én akse, ville det kun dække et tyndt stykke af himlen - hvilket begrænser sandsynligheden for at observere det. Men jetflyets vaklende natur betyder, at astrofysikere kan observere GRB'er i forskellige retninger, hvilket øger sandsynligheden for at få øje på dem. Ifølge Gottliebs beregninger er GRB'er 10 gange mere observerbare end tidligere antaget, hvilket betyder, at astrofysikere mangler 10 gange færre GRB'er end tidligere antaget.

"Ideen er, at vi observerer GRB'er på himlen i en vis hastighed, og vi ønsker at lære om den sande hastighed af GRB'er i universet," forklarede Gottlieb. "De observerede og sande hastigheder er forskellige, fordi vi kun kan se de GRB'er, der peger på os. Det betyder, at vi er nødt til at antage noget om den vinkel, som disse jetfly dækker på himlen, for at udlede den sande hastighed af GRB'er. Det er, hvilken brøkdel af GRB'er vi mangler. Slingring øger antallet af detekterbare GRB'er, så korrektionen fra den observerede til sande hastighed er mindre. Hvis vi savner færre GRB'er, så er der færre GRB'er generelt på himlen."

Hvis dette er sandt, hævder Gottlieb, så bliver de fleste jetfly enten slet ikke opsendt eller lykkes aldrig at flygte fra kollapsaren for at producere en GRB. I stedet forbliver de begravet inde.

Blandet energi

De nye simuleringer afslørede også, at noget af den magnetiske energi i jetflyene delvist konverteres til termisk energi. Dette tyder på, at strålen har en hybrid sammensætning af magnetiske og termiske energier, som producerer GRB. Som et stort skridt fremad i forståelsen af ​​de mekanismer, der driver GRB'er, er dette første gang, forskere har udledt jetsammensætningen af ​​GRB'er på emissionstidspunktet.

"At studere jetfly sætter os i stand til at 'se', hvad der sker dybt inde i stjernen, når den kollapser," sagde Gottlieb. "Ellers er det svært at lære, hvad der sker i en kollapset stjerne, fordi lys ikke kan undslippe fra stjernens indre. Men vi kan lære af jet-emissionen - jetflyets historie og den information, den bærer fra de systemer, der sender dem."

Det største fremskridt ved den nye simulering ligger delvist i dens beregningskraft. Ved at bruge koden "H-AMR" på supercomputere på Oak Ridge Leadership Computing Facility i Oak Ridge, Tennessee, udviklede forskerne den nye simulering, som bruger grafiske behandlingsenheder (GPU'er) i stedet for centrale behandlingsenheder (CPU'er). Ekstremt effektiv til at manipulere computergrafik og billedbehandling, GPU'er accelererer skabelsen af ​​billeder på en skærm. + Udforsk yderligere

Døende stjerners kokoner kan forklare hurtige blå optiske transienter