Photonen aus Gammastrahlen-Bursts wurden lokalisiert

Gammastrahlenexplosionen gehören zu den energetischsten Ereignissen im gesamten Universum, doch bis jetzt ist der Mechanismus für diese Abflüsse ein Rätsel geblieben.

Künstlerische Darstellung eines relativistischen Jets, der uns von einem massiven Stern bricht. Das Nahaufnahmefeld zeigt, wie die Ausdehnung des Gammastrahlen-Burst-Jets das Entweichen von Gammastrahlen (dargestellt durch weiße Punkte) ermöglicht. Die blauen und gelben Punkte repräsentieren Protonen bzw. Elektronen innerhalb des Strahls (NAOJ).

Wissenschaftler des RIKEN-Clusters für wegweisende Forschung und Mitarbeiter haben mithilfe von Simulationen gezeigt, dass die von langen Gammastrahlenausbrüchen emittierten Photonen - eines der energiereichsten Ereignisse im Universum - aus der Photosphäre stammen - dem sichtbaren Teil des „ relativistischer Jet “, der von explodierenden Sternen ausgestrahlt wird.

Eine Abbildung zeigt die häufigste Art von Gammastrahlenausbrüchen, von denen angenommen wird, dass sie auftreten, wenn ein massereicher Stern zusammenbricht, ein Schwarzes Loch bildet und Teilchenstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen schießt. (NASA / GSFC)

Gammastrahlen sind das stärkste elektromagnetische Phänomen, das im Universum beobachtet wird. Sie setzen in nur einer Sekunde so viel Energie frei, wie die Sonne während ihrer gesamten Lebensdauer freisetzt. Obwohl sie 1967 entdeckt wurden, blieb der Mechanismus hinter dieser enormen Energiefreisetzung lange Zeit rätselhaft. Jahrzehntelange Studien haben schließlich gezeigt, dass lange Ausbrüche - eine der Arten von Ausbrüchen - von relativistischen Materiestrahlen herrühren, die während des Todes massereicher Sterne ausgestoßen wurden. Wie genau die Gammastrahlen aus den Jets erzeugt werden, ist jedoch noch heute rätselhaft.

Die aktuelle Forschung, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, ging von einer Entdeckung aus, die als Yonetoku-Beziehung bezeichnet wird. Die Beziehung zwischen der spektralen Spitzenenergie und der Spitzenhelligkeit von GRBs ist die engste Korrelation, die bisher in den Eigenschaften der GRB-Emission gefunden wurde - von einem ihrer Autoren . Es bietet somit die bisher beste Diagnose zur Erklärung des Emissionsmechanismus und den strengsten Test für jedes Modell von Gammastrahlen-Bursts.

Im Übrigen bedeutete die Beziehung auch, dass lange Gammastrahlen-Bursts als „Standardkerze“ zur Entfernungsmessung verwendet werden konnten, sodass wir weiter in die Vergangenheit blicken konnten als Supernovae vom Typ 1A - häufig verwendet, obwohl sie viel schwächer als die Bursts sind. Dies würde es ermöglichen, Einblicke sowohl in die Geschichte des Universums als auch in Geheimnisse wie dunkle Materie und dunkle Energie zu gewinnen.

Für einen Moment überstrahlt eine Supernova vom Typ 1a eine ganze Galaxie. Diese Leuchtkraft macht sie zu einer perfekten „Standardkerze“ - einem Objekt, mit dem astronomische Entfernungen gemessen werden können (NASA / ESA).

Unter Verwendung von Computersimulationen, die auf mehreren Supercomputern durchgeführt wurden, darunter Aterui vom National Astronomical Observatory of Japan, Hokusai von RIKEN und Cray xc40 vom Yukawa Institute for Theoretical Physics, konzentrierte sich die Gruppe auf das sogenannte Modell der „photosphärischen Emission“ - eines der Modelle führende Modelle für den Emissionsmechanismus von GRBs.

Dieses Modell postuliert, dass die auf der Erde sichtbaren Photonen von der Photosphäre des relativistischen Strahls emittiert werden. Wenn sich der Strahl ausdehnt, können Photonen leichter aus ihm entweichen, da weniger Objekte zur Streuung des Lichts zur Verfügung stehen. Somit bewegt sich die „kritische Dichte“ - der Ort, an dem die Photonen entweichen können - durch den Strahl nach unten zu Material, das ursprünglich immer höhere Dichten aufwies.

Um die Gültigkeit des Modells zu testen, machte sich das Team daran, es unter Berücksichtigung der globalen Dynamik relativistischer Jets und des Strahlungstransfers zu testen. Mithilfe einer Kombination aus dreidimensionalen relativistischen hydrodynamischen Simulationen und Strahlungsübertragungsberechnungen zur Bewertung der photosphärischen Emissionen eines relativistischen Strahls, der aus einer massiven Sternhülle ausbricht, konnten sie dies zumindest bei langen GRBs - dem damit verbundenen Typ - feststellen massive Sterne kollabieren - das Modell hat funktioniert.

Der Vergleich der Ergebnisse von Ito mit der beobachteten Yonetoku-Beziehung (Ito)

Ihre Simulationen zeigten auch, dass die Yonetoku-Beziehung als natürliche Folge der Jet-Stern-Wechselwirkungen reproduziert werden konnte.

Hirotaka Ito vom Cluster für wegweisende Forschung, sagt; "Dies deutet stark darauf hin, dass die photosphärische Emission der Emissionsmechanismus von GRBs ist."

Er fährt fort: „Während wir den Ursprung der Photonen aufgeklärt haben, gibt es immer noch Rätsel, wie die relativistischen Jets selbst von den kollabierenden Sternen erzeugt werden.

"Unsere Berechnungen sollten wertvolle Erkenntnisse liefern, um den grundlegenden Mechanismus für die Erzeugung dieser enorm starken Ereignisse zu untersuchen."

Quellen

Ursprüngliche Forschung: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09281-z

Auch bei Scisco Media veröffentlicht