Fotoner från gammastrålar explorerade

Gamma-ray bursts är några av de mest energiska händelserna i hela universumet, men hittills har mekanismen för dessa utflöden förblivit något av ett mysterium.

konstnärens intryck av relativistisk jet som bryter vår massiva stjärna. Närbildspanelen visar hur utvidgningen av gammastrålningsstrålning gör det möjligt för gammastrålar (representerade av vita prickar) att fly. De blå och gula prickarna representerar proton respektive elektroner i strålen (NAOJ).

Forskare från RIKEN-klustret för banbrytande forskning och kollaboratörer har använt simuleringar för att visa att fotonerna som släpps ut av långa gammastrålar - en av de mest energiska händelserna som äger rum i universum - har sitt ursprung i fotosfären - den synliga delen av " relativistisk jet ”som släpps ut av exploderande stjärnor.

En illustration som visar den vanligaste typen av gammastrålning som tros uppstå när en massiv stjärna kollapsar, bildar ett svart hål och spränger partikelstrålar utåt nästan med ljusets hastighet. (NASA / GSFC)

Gamma-ray bursts är det mest kraftfulla elektromagnetiska fenomenet som observeras i universumet och släpper lika mycket energi på bara en sekund som solen kommer att släppa ut under hela sin livstid. Även om de upptäcktes 1967 var mekanismen bakom denna enorma frigörelse av energi länge mystisk. Årtionden av studier avslöjade äntligen att långa skurar - en av typerna av skurar - härstammar från relativistiska materialstrålar som kastades ut under massiva stjärners död. Men exakt hur gammastrålarna framställs från jetstrålarna är fortfarande förslöjt i mysterium idag.

Den aktuella forskningen, publicerad i Nature Communications, började från en upptäckt som kallas Yonetoku-relationen - förhållandet mellan den spektrala toppenergin och toppljustheten hos GRB är den tätaste korrelation som hittills hittats i egenskaperna hos GRB-utsläpp - gjord av en av dess författare . Det ger sålunda den bästa diagnostiken hittills för att förklara utsläppsmekanismen, och det striktaste testet för alla modeller av gammastrålar.

Förhållandet innebar förhållandet också att långa gammastrålar skulle kunna användas som ett "standardljus" för att mäta avstånd, vilket gjorde att vi kan kika längre in i det förflutna än typ 1A-supernovaer - som vanligtvis används, trots att de är mycket dunkare än skurarna. Detta skulle göra det möjligt att få insikter i både universums historia och i mysterier som mörk materia och mörk energi.

För bara ett ögonblick överträffar en supernova av typ 1a en hel galax. Denna ljusstyrka gör dem till ett perfekt

Med hjälp av datorsimuleringar utförda på flera superdatorer, inklusive Aterui från National Astronomical Observatory of Japan, Hokusai of RIKEN, och Cray xc40 från Yukawa Institute for Theoretical Physics, fokuserade gruppen på den så kallade "fotosfäriska utsläpp" -modellen - en av de ledande modeller för utsläppsmekanismen för GRB: er.

Denna modell postulerar att de fotoner som är synliga på jorden släpps ut från den relativistiska jetens fotosfär. När jetstrålen expanderar blir det lättare för fotoner att fly inifrån den, eftersom det finns färre objekt tillgängliga för att sprida ljuset. Således rör sig den "kritiska tätheten" - den plats där det blir möjligt för fotonerna att fly - nedåt genom strålen, till material som ursprungligen hade högre och högre täthet.

För att testa modellens giltighet försökte teamet testa den på ett sätt som tog hänsyn till den globala dynamiken i relativistiska jetplan och strålningsöverföring. Genom att använda en kombination av tredimensionell relativistisk hydrodynamisk simulering och beräkningar av strålningsöverföring för att utvärdera fotosfäriska utsläpp från en relativistisk jet som bryter ut från massiva stjärnhölje, kunde de bestämma att åtminstone i fallet med långa GRB: er - den typ som är associerad med sådana kollapsande massiva stjärnor - modellen fungerade.

Jämförelsen av Itos resultat med den observerade Yonetoku-relationen (Ito)

Deras simuleringar avslöjade också att Yonetoku-förhållandet kunde reproduceras som en naturlig följd av jet-stellar interaktioner.

Hirotaka Ito från Cluster for Pioneering Research säger; "Detta antyder starkt att fotosfärutsläpp är utsläppsmekanismen för GRB: er."

Han fortsätter: ”Medan vi har klargjort fotonernas ursprung, finns det fortfarande mysterier om hur de relativistiska jetplanerna själva genereras av de kollapsande stjärnorna.

"Våra beräkningar bör ge värdefulla insikter för att undersöka den grundläggande mekanismen bakom genereringen av dessa oerhört kraftfulla händelser."

källor

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

Publiceras också på Scisco media