Przełomowe badania potwierdzają hipotezę powstawania krótkich błysków gamma

Przełomowe badania potwierdzają hipotezę powstawania krótkich błysków gammaOriginal Press Release
Błyski gamma należą do najjaśniejszych znanych we Wszechświecie zjawisk.

Najpowszechniejsze są błyski gamma trwające dłużej niż dwie sekundy. Najpopularniejszą teorią ich powstania jest zapaść masywnej gwiazdy do czarnej dziury. W miarę jak materia opada na czarną dziurę jej część tworzy dżety wyrzucane w przeciwnych kierunkach z prędkością bliską prędkości światła. Dżety te przewiercają się przez zapadającą się gwiazdę wzdłuż jej osi obrotu a w momencie przebicia się przez jej powierzchnię tworzą błysk promieni gamma.

Zrozumienie krótkich błysków gamma, które zanikają znacznie szybciej, okazuje się znacznie trudniejsze bowiem przez długi czas astronomowie mieli problem z określeniem ich precyzyjnego położenia niezbędnego by przyjrzeć się dokładniej pozostawianej przez nie poświacie. Znaczny postęp w badaniach nastąpił w 2004 roku wraz z umieszczeniem na orbicie satelity NASA Swift który by w stanie bardzo szybko reagować na błyski, określać ich lokalizację a następnie powiadamiać astronomów gdzie należy prowadzić dalsze badania.

„Od dwudziestu lat zlewanie się dwóch gwiazd neutronowych jest dominującą teorią powstawania krótkich błysków gamma „- mówi Bruno Giacomazzo z  Uniwersytetu Maryland. -” Jednak dopiero dzisiaj możemy wykazać, że zlewanie się gwiazd neutronowych prowadzi do wytworzenia ultra silnego pola magnetycznego o strukturze dżetu, koniecznego by powstał błysk gamma.”

Gwiazda neutronowa to egzotyczne, skompresowane jądro pozostałe po eksplozji jako supernowa gwiazdy o masie około 30 razy większej od masy Słońca*. Gęstość jej materii jest niezwykła – łyżka materii neutronowej waży więcej niż Himalaje. Symulacja rozpoczyna się gdy para namagnesowanych, generujących blisko trylion razy silniejsze do słonecznego pole magnetyczne, gwiazd neutronowych krąży od siebie w odległości 17 kilometrów. Każda z nich zawiera 1,5 masy Słońca w sferze o średnicy 27 kilometrów.

Po raz pierwszy udało się nam stworzyć symulację obejmującą nie tylko zlanie się gwiazd neutronowych w czarną dziurę. To najdłuższa symulacja zachodzących wówczas procesów. Tylko obserwując zderzenie w odpowiednio długich skalach czasowych można dostrzec wzrost pola magnetycznego i jego reorganizowanie się z chaotycznej struktury w coś, co przypomina dżet.

Chryssa Kouveliotou,
Marshall Space Flight Center

W ciągu 15 milisekund gwiazdy neutronowe zderzają się, zlewając i przekształcając w szybko wirującą czarną dziurę o masie 2,9 razy większej od masy Słońca. Krawędź czarnej dziur – jej horyzont zdarzeń – ma średnicę nieco mniejszą od 10 km. Wokół niej wiruje chaotyczny dysk super gęstej materii o temperaturze przekraczającej 10×109 K. Choć zlanie się gwiazd wzmocniło siłę pola magnetycznego to jednocześnie jego struktura uległa dezorganizacji. Jednak w ciągu kolejnych 11 milisekund gaz wirujący z prędkością bliską prędkości światła nadal wzmacniał pole magnetyczne, którego siła tysiąc razy przekroczyła oryginalne pole magnetyczne gwiazd neutronowych. W tym samym czasie pole ulegało uporządkowaniu i stopniowo wzdłuż osi obrotu czarnej dziury wytworzyło parę skierowanych na zewnątrz lejów. Powstała konfiguracja niezbędna do wytworzenia dżetów ultraszybkich cząstek produkujących krótkie błyski gamma. Żaden z lejów magnetycznych nie był wypełniony ultra szybką materią gdy zakończono obliczenia, jednak w innych, wcześniejszych badaniach wykazano że dżety powstają w takich właśnie warunkach.

„Rozwiązując równania względności Einstaina i pozwalając naturze robić swoje podnieśliśmy nieco zasłonę z nad zagadki krótkich błysków gamma i odkryliśmy co może być ich mechanizmem „- mówi Luciano Rezzolla, kierujący badaniami. -” To z dawna oczekiwany wynik. Wydaje się bowiem, że zlewanie się gwiazd neutronowych prowadzi bez wyjątku do wytworzenia odpowiednio zorientowanych podobnych do dżetów struktur w ultra silnym polu magnetycznym.”

Autorzy podkreślają że ostatecznym dowodem poprawności teorii zlewania się gwiazd neutronowych będzie wykrycie ich fal grawitacyjnych – fal w czasoprzestrzeni przewidywanych przez teorię względności.

Źródła:

* od redakcji – w oryginalnej informacji podana została masa 30 razy większa od masy Słońca, choć według większości źródeł gwiazda o takiej masie kończy jako czarna dziura – do powstania gwiazdy neutronowej potrzeba jest raczej masa od 1,44 do 10 razy większa od masy Słońca.

Breakthrough Study Confirms Cause of Short Gamma-Ray Bursts

A new supercomputer simulation shows the collision of two neutron stars can naturally produce the magnetic structures thought to power the high-speed particle jets associated with short gamma-ray bursts (GRBs). The study provides the most detailed glimpse of the forces driving some of the universe's most energetic explosions.

The state-of-the-art simulation ran for nearly seven weeks on the Damiana computer cluster at the Albert Einstein Institute (AEI) in Potsdam, Germany. It traces events that unfold over 35 milliseconds — about three times faster than the blink of an eye.

GRBs are among the brightest events known, emitting as much energy in a few seconds as our entire galaxy does in a year. Most of this emission comes in the form of gamma rays, the highest-energy form of light.

„For the first time, we've managed to run the simulation well past the merger and the formation of the black hole,” said Chryssa Kouveliotou, a co-author of the study at NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Ala. „This is by far the longest simulation of this process, and only on sufficiently long timescales does the magnetic field grow and reorganize itself from a chaotic structure into something resembling a jet.”

GRBs longer than two seconds are the most common type and are widely thought to be triggered by the collapse of a massive star into a black hole. As matter falls toward the black hole, some of it forms jets in the opposite direction that move near the speed of light. These jets bore through the collapsing star along its rotational axis and produce a blast of gamma rays after they emerge. Understanding short GRBs, which fade quickly, proved more elusive. Astronomers had difficulty obtaining precise positions for follow-up studies.

That began to change in 2004, when NASA’s Swift satellite began rapidly locating bursts and alerting astronomers where to look.

„For more than two decades, the leading model of short GRBs was the merger of two neutron stars,” said co-author Bruno Giacomazzo at the University of Maryland and NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md. „Only now can we show that the merger of neutron stars actually produces an ultrastrong magnetic field structured like the jets needed for a GRB.”

A neutron star is the compressed core left behind when a star weighing less than about 30 times the sun's mass explodes as a supernova. Its matter reaches densities that cannot be reproduced on Earth — a single spoonful outweighs the Himalayan Mountains.

The simulation began with a pair of magnetized neutron stars orbiting just 11 miles apart. Each star packed 1.5 times the mass of the sun into a sphere just 17 miles across and generated a magnetic field about a trillion times stronger than the sun's.

In 15 milliseconds, the two neutron stars crashed, merged and transformed into a rapidly spinning black hole weighing 2.9 suns. The edge of the black hole, known as its event horizon, spanned less than six miles. A swirling chaos of superdense matter with temperatures exceeding 18 billion degrees Fahrenheit surrounded the newborn black hole. The merger amplified the strength of the combined magnetic field, but it also scrambled it into disarray.

Over the next 11 milliseconds, gas swirling close to the speed of light continued to amplify the magnetic field, which ultimately became a thousand times stronger than the neutron stars' original fields. At the same time, the field became more organized and gradually formed a pair of outwardly directed funnels along the black hole's rotational axis.

This is exactly the configuration needed to power the jets of ultrafast particles that produce a short gamma-ray burst. Neither of the magnetic funnels was filled with high-speed matter when the simulation ended, but earlier studies have shown that jet formation can occur under these conditions.

„By solving Einstein's relativity equations as never before and letting nature take its course, we've lifted the veil on short GRBs and revealed what could be their central engine,” said Luciano Rezzolla, the study's lead author at AEI. „This is a long-awaited result. Now it appears that neutron star mergers inevitably produce aligned jet-like structures in an ultrastrong magnetic field.”

The study is available online and will appear in the May 1 edition of The Astrophysical Journal Letters.

The authors note the ultimate proof of the merger model will have to await the detection of gravitational waves — ripples in the fabric of space-time predicted by relativity. Merging neutron stars are expected to be prominent sources, so the researchers also computed what the model's gravitational-wave signal would look like. Observatories around the world are searching for gravitational waves, so far without success because the signals are so faint.

Lynn Chandler, NASA's Goddard Space Flight Center

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *