Τα φωτόνια από εκρήξεις ακτίνων γάμμα εντοπίστηκαν

Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα είναι μερικά από τα πιο ενεργητικά γεγονότα σε ολόκληρο το Σύμπαν, αλλά μέχρι τώρα, ο μηχανισμός αυτών των εκροών παρέμεινε κάτι μυστήριο.

Η εντύπωση του καλλιτέχνη σχετικά με το σχετικιστικό τζετ σπάζοντας ένα τεράστιο αστέρι. Το πάνελ close-up δείχνει πώς η επέκταση του εκτοξευτήρα ακτίνων γάμμα επιτρέπει στις γ-ακτίνες (που αντιπροσωπεύονται από λευκές κουκκίδες) να διαφύγουν. Οι μπλε και κίτρινες κουκκίδες αντιπροσωπεύουν πρωτόνιο και ηλεκτρόνια εντός του πίδακα, αντίστοιχα. (NAOJ).

Επιστήμονες από το RIKEN Cluster for Pioneering Research και συνεργάτες έχουν χρησιμοποιήσει προσομοιώσεις για να δείξουν ότι τα φωτόνια που εκπέμπονται από μεγάλες εκρήξεις ακτίνων γάμμα - ένα από τα πιο ενεργητικά γεγονότα που θα πραγματοποιηθούν στο σύμπαν - προέρχονται από τη φωτοσφαίρα - το ορατό τμήμα του " σχετικιστικό τζετ »που εκπέμπεται από εκρηκτικά αστέρια.

Μια εικόνα που δείχνει τον πιο συνηθισμένο τύπο έκρηξης ακτίνων γάμμα που πιστεύεται ότι συμβαίνει όταν ένα τεράστιο αστέρι καταρρέει, σχηματίζει μια μαύρη τρύπα και εκτοξεύει εκτόξευση σωματιδίων προς τα έξω σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. (NASA / GSFC)

Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα είναι το πιο ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο που παρατηρείται στο σύμπαν, απελευθερώνοντας τόση ενέργεια σε ένα δευτερόλεπτο περίπου, καθώς ο ήλιος θα απελευθερώσει καθ 'όλη τη διάρκεια ζωής του. Αν και ανακαλύφθηκαν το 1967, ο μηχανισμός πίσω από αυτήν την τεράστια απελευθέρωση ενέργειας παρέμεινε από καιρό μυστηριώδης. Δεκαετίες μελετών αποκάλυψαν τελικά ότι οι μεγάλες εκρήξεις - ένας από τους τύπους εκρήξεων - προέρχονται από σχετικιστικούς πίδακες ύλης που εκτοξεύτηκαν κατά τον θάνατο τεράστιων αστεριών. Ωστόσο, ακριβώς πώς παράγονται οι ακτίνες γάμμα από τα αεριωθούμενα αεροπλάνα εξακολουθεί να καλύπτεται από μυστήριο σήμερα.

Η τρέχουσα έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, ξεκίνησε από μια ανακάλυψη που ονομάζεται σχέση Yonetoku - η σχέση μεταξύ της φασματικής μέγιστης ενέργειας και της μέγιστης φωτεινότητας των GRBs είναι ο στενότερος συσχετισμός που έχει βρεθεί μέχρι τώρα στις ιδιότητες των εκπομπών GRB - που έγινε από έναν από τους συγγραφείς της . Παρέχει έτσι το καλύτερο διαγνωστικό μέχρι στιγμής για την εξήγηση του μηχανισμού εκπομπών και την αυστηρότερη δοκιμή για οποιοδήποτε μοντέλο εκρήξεων ακτίνων γάμμα.

Παρεμπιπτόντως, η σχέση σήμαινε επίσης ότι οι μεγάλες εκρήξεις ακτίνων γάμμα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως «τυπικό κερί» για τη μέτρηση της απόστασης, επιτρέποντάς μας να κοιτάξουμε περισσότερο στο παρελθόν από τις σουπερνόβες τύπου 1Α - που χρησιμοποιούνται συνήθως, παρά το γεγονός ότι είναι πολύ πιο αμυδρό από τις εκρήξεις. Αυτό θα καθιστούσε δυνατή την απόκτηση γνώσεων τόσο για την ιστορία του σύμπαντος όσο και για μυστήρια όπως η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια.

Για μια στιγμή, μια σουπερνόβα τύπου 1a ξεπερνά έναν ολόκληρο γαλαξία. Αυτή η φωτεινότητα τους καθιστά ένα τέλειο «τυπικό κερί» - ένα αντικείμενο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των αστρονομικών αποστάσεων (NASA / ESA.)

Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστών που πραγματοποιήθηκαν σε διάφορους υπερυπολογιστές, συμπεριλαμβανομένων των Aterui του Εθνικού Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Ιαπωνίας, Hokusai του RIKEN και Cray xc40 του Yukawa Institute for Theoretical Physics, η ομάδα εστίασε στο λεγόμενο μοντέλο «φωτοσφαιρικής εκπομπής» - ένα από τα κορυφαία μοντέλα για τον μηχανισμό εκπομπών GRBs.

Αυτό το μοντέλο υποδηλώνει ότι τα φωτόνια που είναι ορατά στη γη εκπέμπονται από τη φωτοσφαιρία του σχετικιστικού πίδακα. Καθώς το τζετ διαστέλλεται, γίνεται πιο εύκολο για τα φωτόνια να ξεφύγουν από μέσα του, καθώς υπάρχουν λιγότερα αντικείμενα διαθέσιμα για τη διασπορά του φωτός. Έτσι, η «κρίσιμη πυκνότητα» - το μέρος όπου γίνεται δυνατή η διαφυγή των φωτονίων - κινείται προς τα κάτω μέσω του πίδακα, σε υλικό που ήταν αρχικά σε υψηλότερες και υψηλότερες πυκνότητες.

Για να ελέγξει την εγκυρότητα του μοντέλου, η ομάδα ξεκίνησε να το δοκιμάσει με τρόπο που έλαβε υπόψη την παγκόσμια δυναμική των σχετικιστικών πίδακες και της μεταφοράς ακτινοβολίας. Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό τρισδιάστατων σχετικιστικών υδροδυναμικών προσομοιώσεων και υπολογισμών μεταφοράς ακτινοβολίας για την αξιολόγηση των φωτοσφαιρικών εκπομπών από ένα σχετικιστικό αεριωθούμενο αεροπλάνο που έσπασε από μαζικό φάκελο αστεριών, μπόρεσαν να προσδιορίσουν ότι τουλάχιστον στην περίπτωση μακρών GRBs - ο τύπος που σχετίζεται με τέτοια καταρρέουν τεράστια αστέρια - το μοντέλο λειτούργησε.

Η σύγκριση των αποτελεσμάτων της Ito με την παρατηρούμενη σχέση Yonetoku (Ito)

Οι προσομοιώσεις τους αποκάλυψαν επίσης ότι η σχέση Yonetoku θα μπορούσε να αναπαραχθεί ως φυσική συνέπεια των αλληλεπιδράσεων jet-stellar.

Ο Χιροτάκα Ίτο του Cluster for Pioneering Research, λέει: "Αυτό υποδηλώνει έντονα ότι η φωτοσφαιρική εκπομπή είναι ο μηχανισμός εκπομπών GRBs."

Συνεχίζει: «Ενώ έχουμε διευκρινίσει την προέλευση των φωτονίων, εξακολουθούν να υπάρχουν μυστήρια σχετικά με το πώς οι σχετικοί πίδακες δημιουργούνται από τα καταρρέοντα αστέρια.

"Οι υπολογισμοί μας θα πρέπει να παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για την εξέταση του θεμελιώδους μηχανισμού πίσω από τη δημιουργία αυτών των εξαιρετικά ισχυρών γεγονότων."

Πηγές

Αρχική έρευνα: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09281-z

Δημοσιεύθηκε επίσης στα μέσα Scisco