Vallend sterrenstof, wiebelende stralen verklaren het flikkeren van gammastraaluitbarstingen

Een team van astrofysici onder leiding van de Northwestern University heeft de allereerste volledige 3D-simulatie ontwikkeld van de volledige evolutie van een vliegtuig gevormd door een instorting van een ster, of ‘instorting’.

Omdat deze jets gammastraaluitbarstingen (GRB’s) genereren – de meest energetische en helderste gebeurtenissen in het universum sinds de oerknal – hebben simulaties licht geworpen op deze vreemde, intense lichtuitbarstingen. Hun nieuwe bevindingen bevatten een verklaring voor de langlopende vraag waarom ze worden onderbroken door mysterieus rustige momenten – flitsend tussen sterke emissies en een griezelig stille stilte. Nieuwe simulaties laten ook zien dat GRB’s veel zeldzamer zijn dan eerder werd gedacht.

De nieuwe studie zal op 29 juni worden gepubliceerd om Astrofysische journaalbrieven. Het vertegenwoordigt de eerste volledige 3D-simulatie van de volledige evolutie van een straaljager – vanaf zijn geboorte nabij een zwart gat tot zijn emissie na zijn ontsnapping uit een instortende ster. Het nieuwe model is ook de meest betrouwbare simulatie ooit van een groot straalvliegtuig.

“Deze jets zijn de krachtigste gebeurtenissen in het universum”, zegt Ori Gottlieb van Northwestern, die de studie leidde. “Eerdere studies hebben geprobeerd te begrijpen hoe het werkt, maar die studies waren beperkt in rekenkracht en er moesten veel aannames worden opgenomen. We waren in staat om de hele evolutie van de jet vanaf het begin te modelleren – sinds zijn geboorte door een zwart gat – zonder iets over het casco aan te nemen. We volgden de stroom van het zwarte gat helemaal naar de emissielocatie en we vonden processen die in eerdere studies over het hoofd werden gezien.”

Gottlieb is een Rothschild Fellow bij het Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Het artikel is geschreven in samenwerking met CIERA-lid Sasha Chekovskoye, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern.

raar wiebelend

Het helderste fenomeen in het universum, GRB’s, verschijnen wanneer de kern van een massieve ster onder zijn zwaartekracht instort en een zwart gat vormt. Wanneer gas in een roterend zwart gat valt, wordt het bekrachtigd en schiet het een jet in de instortende ster. De jet raakt de ster totdat hij er uiteindelijk uit ontsnapt en versnelt met snelheden die de snelheid van het licht benaderen. Na de bevrijding van de ster wordt een heldere GRB geboren.

“De jet genereert een GRB wanneer hij ongeveer 30 keer zo groot is als een ster – of een miljoen keer zo groot als een zwart gat”, zei Gottlieb. “Met andere woorden, als het zwarte gat zo groot was als een strandbal, zou de jet het hele gebied van Frankrijk moeten omspannen voordat het een GRB kan produceren.”

Vanwege de omvang van deze schaal waren eerdere simulaties niet in staat om de volledige evolutie van de geboorte van het vliegtuig en de daaropvolgende vlucht te modelleren. Gebruikmakend van aannames, vonden alle eerdere onderzoeken dat een jet zich langs één as voortplant en nooit van die as afwijkt.

Maar Gottliebs simulatie liet iets heel anders zien. Wanneer een ster instort tot een zwart gat, valt materiaal van die ster op de gemagnetiseerde schijf van gas die rond het zwarte gat draait. Vallende materie zorgt ervoor dat de schijf kantelt, wat op zijn beurt de stroom doet kantelen. Terwijl het vliegtuig worstelt om zijn oorspronkelijke koers opnieuw uit te lijnen, wiebelt het tijdens de ineenstorting.

Deze oscillatie biedt een nieuwe verklaring voor waarom GRB’s flitsen. Tijdens rustige momenten stopt de jet niet – hij straalt zonlicht ver van de aarde uit, dus telescopen kunnen hem eenvoudigweg niet waarnemen.

“Emissies van gasvormige recyclinggassen zijn altijd grillig”, zei Gottlieb. “We zien spurts in de emissie en dan een stille tijd die enkele seconden of langer duurt. De hele GRB heeft een duur van ongeveer 1 minuut, dus deze stille tijden zijn een aanzienlijk deel van de totale duur. Eerdere modellen zijn niet in staat om uit te leggen waar deze rustige tijden vandaan komen. Deze oscillatie geeft natuurlijk een verklaring voor dit fenomeen. We merken het vliegtuig op wanneer het naar ons wijst. Maar wanneer het vliegtuig zwaait om van ons weg te gaan, kunnen we zijn emissie niet zien. Dit maakt deel uit van de relativiteitstheorie van Einstein.”

Zeldzaam wordt zeldzamer

Deze oscillerende jets bieden ook nieuwe inzichten in de snelheid en aard van GRB’s. Hoewel eerdere studies schatten dat ongeveer 1% van de collaps GRB’s produceert, gelooft Gottlieb dat GRB’s eigenlijk veel zeldzamer zijn.

Als het vliegtuig gedwongen zou worden om langs één as te bewegen, zou het slechts een dun stukje van de lucht bedekken – waardoor de kans op waarneembaarheid wordt beperkt. Maar de oscillerende aard van het vliegtuig betekent dat astrofysici GRB’s in verschillende richtingen kunnen observeren, waardoor de kans op detectie toeneemt. Volgens de berekeningen van Gottlieb kunnen GRB’s 10 keer meer worden waargenomen dan eerder werd gedacht, wat betekent dat astrofysici 10 keer minder missen dan eerder werd gedacht.

“Het idee is dat we GRB’s in de lucht met een bepaalde snelheid waarnemen, en we willen een idee krijgen van de ware snelheid van GRB’s in het universum”, legde Gottlieb uit. “Waargenomen en reële tarieven zijn verschillend omdat we alleen de GRB’s naar ons kunnen zien wijzen. Dit betekent dat we iets moeten aannemen over de hoek die deze jets in de lucht bestrijken, om de ware snelheid van GRB’s af te leiden. Dat wil zeggen, wat is het ontbrekende deel van de GRB’s. Leads De fluctuatie verhoogt het aantal detecteerbare GRB’s, dus de correctie van de waargenomen snelheid naar de werkelijke snelheid is kleiner. Als we minder GRB’s verliezen, zullen er in totaal minder GRB’s in de lucht zijn. “

Als dat waar is, zoals Gottlieb veronderstelt, slagen de meeste vliegtuigen er ofwel helemaal niet in om te lanceren of slagen ze er nooit in om aan een lawine te ontsnappen om een ​​GRB te produceren. In plaats daarvan bleven ze binnen begraven.

gemengde energie

De nieuwe simulaties lieten ook zien dat een deel van de magnetische energie in de jets gedeeltelijk wordt omgezet in thermische energie. Dit geeft aan dat het vliegtuig een hybride combinatie van magnetische en thermische energieën heeft, die GRB produceert. Dit was een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen van de mechanismen die GRB’s aandrijven, en dit was de eerste keer dat onderzoekers de jetmake-up van GRB’s op het moment van emissie hadden geëxtrapoleerd.

“studie vliegtuigen “We kunnen ‘zien’ wat er gebeurt in de diepten van de ster terwijl deze instort,” zei Gottlieb. Anders is het moeilijk om te weten wat er gebeurt in een instortende ster, omdat licht niet kan ontsnappen uit het binnenste van de ster. Maar we kunnen leren van de jet-emissies – de geschiedenis van het vliegtuig en de informatie die het overbrengt van de systemen die het lanceren. “

De belangrijkste vooruitgang van de nieuwe simulatie ligt voor een deel in: rekenkracht. Met behulp van de code “H-AMR” op supercomputers in de Oak Ridge Leadership Computing-faciliteit in Oak Ridge, Tennessee, ontwikkelden de onderzoekers de nieuwe simulatie die grafische verwerkingseenheden (GPU’s) gebruikt in plaats van CPU’s. GPU’s, die zeer efficiënt zijn in het verwerken van computergraphics en beeldverwerking, versnellen het maken van afbeeldingen op het scherm.