Wskazane fotony z rozbłysków gamma

Impulsy gamma są jednymi z najbardziej energetycznych zdarzeń w całym Wszechświecie, ale do tej pory mechanizm tych odpływów pozostawał tajemnicą.

wrażenie artysty relatywistycznego odrzutowca, który łamie naszą masywną gwiazdę. Panel zbliżeniowy pokazuje, w jaki sposób ekspansja strumienia impulsów gamma umożliwia ucieczkę promieni gamma (reprezentowanych przez białe kropki). Niebieskie i żółte kropki oznaczają odpowiednio proton i elektrony w strumieniu (NAOJ).

Naukowcy z RIKEN Cluster for Pioneering Research i współpracownicy wykorzystali symulacje, aby pokazać, że fotony emitowane przez długie rozbłyski gamma - jedno z najbardziej energetycznych wydarzeń we wszechświecie - powstają w fotosferze - widocznej części „ relatywistyczny strumień ”emitowany przez wybuchające gwiazdy.

Ilustracja przedstawiająca najpowszechniejszy rodzaj rozbłysku gamma, o którym przypuszcza się, że masywna gwiazda zapada się, tworzy czarną dziurę i wystrzeliwuje cząstki na zewnątrz z prędkością zbliżoną do prędkości światła. (NASA / GSFC)

Impulsy gamma są najsilniejszym zjawiskiem elektromagnetycznym obserwowanym we wszechświecie, uwalniając tyle energii w ciągu około jednej sekundy, ile wyzwoli słońce w ciągu całego swojego życia. Choć zostały odkryte w 1967 roku, mechanizm tego ogromnego uwolnienia energii długo pozostawał tajemniczy. Dekady badań w końcu ujawniły, że długie wybuchy - jeden z rodzajów wybuchów - powstają z relatywistycznych strumieni materii wyrzuconych podczas śmierci masywnych gwiazd. Jednak dokładnie to, w jaki sposób wytwarzane są promienie gamma z dżetów, jest nadal tajemnicą.

Obecne badania, opublikowane w Nature Communications, rozpoczęły się od odkrycia zwanego relacją Yonetoku - związek między widmową energią szczytową a szczytową jasnością GRB jest najściślejszą korelacją znalezioną do tej pory we właściwościach emisji GRB - dokonaną przez jednego z jej autorów . W ten sposób zapewnia najlepszą do tej pory diagnostyczną metodę wyjaśniania mechanizmu emisji i najostrzejszy test dla dowolnego modelu rozbłysków gamma.

Nawiasem mówiąc, związek ten oznaczał również, że długie impulsy promieniowania gamma mogą być używane jako „standardowa świeca” do pomiaru odległości, pozwalając nam zajrzeć w przeszłość niż supernowe typu 1A - powszechnie stosowane, pomimo tego, że są znacznie ciemniejsze niż wybuchy. Umożliwiłoby to wgląd zarówno w historię wszechświata, jak i w tajemnice, takie jak ciemna materia i ciemna energia.

Przez chwilę supernowa typu 1a przyćmiewa całą galaktykę. Ta jasność czyni z nich idealną „standardową świecę” - obiekt, który można wykorzystać do pomiaru odległości astronomicznych (NASA / ESA).

Korzystając z symulacji komputerowych przeprowadzonych na kilku superkomputerach, w tym Aterui z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego w Japonii, Hokusai z RIKEN i Cray xc40 z Yukawa Institute for Theoretical Physics, grupa skupiła się na tak zwanym modelu „emisji fotosferycznej” - jednym z wiodące modele mechanizmu emisji GRB.

Model ten zakłada, że ​​fotony widoczne na ziemi są emitowane ze fotosfery strumienia relatywistycznego. W miarę rozszerzania się strumienia fotony stają się łatwiejsze do ucieczki, ponieważ dostępnych jest mniej obiektów rozpraszających światło. Zatem „gęstość krytyczna” - miejsce, w którym fotony mogą uciec - przesuwa się w dół przez strumień, do materiału, który pierwotnie miał coraz większą gęstość.

Aby przetestować poprawność modelu, zespół postanowił przetestować go w sposób uwzględniający globalną dynamikę relatywistycznych dżetów i transferu promieniowania. Wykorzystując połączenie trójwymiarowych relatywistycznych symulacji hydrodynamicznych i obliczeń transferu promieniowania do oceny emisji fotosferycznych z relatywistycznego strumienia wyrywającego się z masywnej obwiedni gwiazdy, byli w stanie ustalić, że przynajmniej w przypadku długich GRB - rodzaj związany z takimi zapadające się masywne gwiazdy - model zadziałał.

Porównanie wyników Ito z zaobserwowaną relacją Yonetoku (Ito)

Ich symulacje ujawniły również, że relację Yonetoku można odtworzyć jako naturalną konsekwencję oddziaływań między gwiazdą a dżetem.

Hirotaka Ito z Cluster for Pioneering Research, mówi; „To zdecydowanie sugeruje, że emisja fotosferyczna jest mechanizmem emisji GRB.”

Kontynuuje: „Chociaż wyjaśniliśmy pochodzenie fotonów, wciąż istnieją tajemnice dotyczące tego, jak same relatywistyczne dżety są generowane przez zapadające się gwiazdy.

„Nasze obliczenia powinny dostarczyć cennych informacji na temat fundamentalnego mechanizmu generowania tych niezwykle potężnych wydarzeń”.

Źródła

Oryginalne badania: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09281-z

Publikowane również w Scisco media