Astrofysisk forskning fremmer forståelsen af, hvordan gammastråleudbrud producerer lys

Gammastråleudbrud (GRB'er) er intense udbrud af gammastråling, der typisk genererer mere energi på få sekunder, end solen vil producere i løbet af sin ti milliarder år lange levetid. Disse forbigående fænomener præsenterer et af de mest udfordrende gåder inden for astrofysik, der går tilbage til deres utilsigtede opdagelse i 1967 af en nuklear overvågningssatellit.

Dr. Jon Hakkila, en forsker fra University of Alabama i Huntsville (UAH), en del af University of Alabama System, er hovedforfatter på et papir i The Astrophysical Journal der lover at kaste lys over disse mystiske kosmiske kraftcentres adfærd ved at fokusere på bevægelsen af ​​jetflyene, hvor disse kræfter stammer fra. Artiklen er medforfatter af UAH-alumnen Dr. Timothy Giblin, Dr. Robert Preece og Dr. Geoffrey Pendleton fra deciBel Research, Inc.

"På trods af at de har været undersøgt i over halvtreds år, er mekanismerne, hvorved GRB'er producerer lys, stadig ukendte, et stort mysterium for moderne astrofysik," forklarer Hakkila. "Forståelse af GRB'er hjælper os med at forstå nogle af de hurtigste og mest kraftfulde lysproducerende mekanismer, som naturen anvender. GRB'er er så lyse, at de kan ses over hele universets bredde, og - fordi lys bevæger sig med en endelig hastighed - tillader de os at se tilbage til de tidligste tider, hvor stjerner eksisterede."

En grund til mysteriet er teoretiske modellers manglende evne til at give konsistente forklaringer af GRB-karakteristika for deres lyskurveadfærd. I astronomi er en lyskurve en graf over lysintensiteten af ​​et himmelobjekt som funktion af tiden. At studere lyskurver kan give betydelig information om de fysiske processer, der producerer dem, samt hjælpe med at definere teorierne om dem. Ikke to GRB-lyskurver er identiske, og emissionens varighed kan variere fra millisekunder til titusinder af minutter som en serie af energiske impulser.

"Impulser er de grundlæggende enheder for GRB-emission," siger Hakkila. "De angiver tidspunkter, hvor en GRB lysner og efterfølgende forsvinder. I løbet af den tid, en GRB-puls udsender, gennemgår den lysstyrkevariationer, der nogle gange kan forekomme på meget korte tidsskalaer. Det mærkelige ved disse variationer er, at de er reversible på samme måde som ord som 'rotator' eller 'kajak' (palindromer) er reversible.

"Det er meget svært at forstå, hvordan dette kan ske, da tiden kun bevæger sig i én retning. Mekanismen, der producerer lys i en GRB-puls, producerer på en eller anden måde et lysstyrkemønster, og derefter genererer det samme mønster i omvendt rækkefølge. Det er ret underligt, og det gør GRB'er unikke."

GRB-emission antages generelt at forekomme inden for relativistiske jetfly – kraftige strømme af stråling og partikler – opsendt fra nydannede sorte huller.

"I disse modeller kollapser kernen af ​​en døende massiv stjerne for at danne et sort hul, og materiale, der falder ned i det sorte hul, bliver revet fra hinanden og omdirigeret udad langs to modstående stråler eller jetstråler," bemærker Hakkila. "Jetmaterialet, der peger i vores retning, kastes udad med næsten lysets hastighed. Da GRB'en er relativt kortvarig, har det altid været antaget, at strålen forbliver at pege på os under hele begivenheden. Men de tidsomvendte pulskarakteristika har været meget svære at forklare, hvis de stammer fra en ikke-bevægelig jet."

For at hjælpe med at afmystificere disse karakteristika foreslår avisen at tilføje bevægelse til strålen.

"Ideen om en lateralt bevægende jet giver en simpel løsning, hvormed den tidsomvendte GRB-pulsstruktur kan forklares," siger forskeren. "Når jetflyet krydser sigtelinjen, vil en observatør se lys produceret først af den ene side af jetstrålen, derefter jetcentret og til sidst den anden side af jetstrålen. Jetstrålen vil lysere og derefter blive svagere, når jetcenter krydser sigtelinjen, og radialt symmetrisk struktur omkring jetstrålens kerne vil blive set i omvendt rækkefølge, efterhånden som jetstrålen bliver svagere."

Den hurtige ekspansion af gammastråleudbrudsstråler, kombineret med bevægelsen af ​​strålens "dyse" i forhold til en observatør, hjælper med at belyse strukturen af ​​GRB-stråler.

"Jets skal sprøjte materiale svarende til den måde, en brandslange sprøjter vand på," siger Hakkila. "Jetstrålen opfører sig mere som en væske end en fast genstand, og en iagttager, der kunne se hele strålen, ville se den som værende buet snarere end lige. Dysens bevægelse får lys fra forskellige dele af strålen til at nå os på forskellige måder. gange, og dette kan bruges til bedre at forstå den mekanisme, hvormed jetstrålen producerer lys, samt et laboratorium til at studere virkningerne af speciel relativitet."

Flere oplysninger: Jon Hakkila et al., Gamma-Ray Burst Pulses and Lateral Jet Motion, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2f26

Journaloplysninger: Astrofysisk tidsskrift

Leveret af University of Alabama i Huntsville