Naukowcy ustalają źródło fotonów w tajemnicznych rozbłyskach promieniowania gamma

Naukowcy z RIKEN Cluster for Pioneering Research wraz ze współpracownikami wykorzystali symulacje do wykazania, że fotony emitowane przez długie rozbłyski promieniowania gamma, jedne z najbardziej energetyczne zjawiska we wszechświecie, mają swoje źródło w fotosferze – widocznej części “relatywistycznego dżetu” emitowanego przez eksplodujące gwiazdy.

Rozbłyski promieniowania gamma są jednymi z najsilniejszych zjawisk elektromagnetycznych obserwowanych we wszechświecie, w trakcie których w ciągu zaledwie sekundy uwalniane jest tyle energii co Słońce wyemituje w trakcie całego swojego życia. Choć zostały odkryte w 1967 roku, to mechanizm stojący za tymi potężnymi rozbłyskami energii bardzo długo pozostawał tajemnicą. Dziesięciolecia badań w końcu pozwoliły odkryć, że jeden z rodzajów, tak zwany długi rozbłysk ma swoje źródło w relatywistycznym dżecie materii emitowanym w trakcie śmierci masywnych gwiazd. Niemniej jednak, dokładnie jak promienie gamma powstają w dżetach wciąż nie wiadomo.

Aktualne badania, opisane w artykule opublikowanym w periodyku Nature Communications, wywodzą się z odkrycia tzw. związku Yonetoku, którego dokonał jeden z autorów artykułu. Związek między pikiem energii widma oraz pikiem jasności GRB jest najdokładniejszą korelacją odkrytą jak dotąd w właściwościach emisji GRB. Dlatego też jest to najlepszy element diagnostyczny do poszukiwań wyjaśnienia mechanizmu emisji oraz najsurowszy test dla każdego modelu rozbłysku promieniowania gamma. Przypadkowo związek ten oznacza także, że długie rozbłyski promieniowania gamma mogą być wykorzystywane jako “świece standardowe” do mierzenia odległości, pozwalając astronomom zajrzeć dalej w przeszłość niż supernowe typu Ia powszechnie wykorzystywane obecnie. Dzięki temu możliwe byłoby zajrzenie głębiej w historię wszechświata i być może uzyskanie nowych informacji o ciemnej materii czy ciemnej energii.

Wykorzystując symulacje komputerowe wykonywane na kilku superkomputerach, w tym Aterui z National Astronomical Observatory of Japan w Hkusai oraz Cray xc40 z Yukawa Institute for Theoretical Physics, grupa skupiła się na tak zwanym modelu “emisji fotosferycznej”, jednym z wiodących modeli mechanizmu emisji promieniowania przez GRB. Model ten postuluje, że fotony widoczne na Ziemi emitowane są w fotosferze dżetu relatywistycznego. Gdy dżet się rozszerza, coraz łatwiej jest fotonom z niego uciec, bowiem po drodze znajduje się mniej obiektów, które mogą rozproszyć promieniowanie. Dlatego też “gęstość krytyczna” miejsce, w którym możliwa staje się ucieczka fotonów – przesuwa się wzdłuż dżetu do materii, która wcześniej była gęstsza.

Aby przetestować wiarygodność modelu, badacze postanowili przetestować go w sposób, który uwzględniał globalną dynamikę dżetów relatywistycznych oraz transfer promieniowania. Wykorzystując połączenie trójwymiarowych, relatywistycznych symulacji hydrodynamicznych oraz obliczenia transferu promieniowania do oceny emisji fotosferycznej dżetu relatywistycznego przebijającego się przez otoczkę masywnej gwiazdy, badacze byli w stanie określić, że przynajmniej w przypadku długich GRB, typu związanego z zapadającymi się masywnymi gwiazdami – model działa. Ich symulacje odkryły, że związek Yonetoku można odtworzyć jako naturalny skutek interakcji dżetu z gwiazdą. “Dla nas” mówi Hirotaka Ito “jest to silna wskazówka, że emisja fotosferyczna stanowi mechanizm emisji GRB”.

“Choć ustaliliśmy pochodzenie fotonów, wciąż przed nami wiele tajemnic dotyczących tego jak powstają relatywistyczne dżety w zapadających się gwiazdach. Nasze obliczenia powinny dostarczyć cennych informacji o fundamentalnym mechanizmie powstawania tych niezwykle silnych dżetów”.

Źródło: RIKEn