Tijdens de vorming van een zwart gat, een heldere uitbarsting van zeer energetisch licht in de vorm van gammastralen wordt geproduceerd, deze gebeurtenissen worden gammastraaluitbarstingen genoemd. De fysica achter dit fenomeen omvat veel van de minst begrepen velden binnen de fysica van vandaag:algemene zwaartekracht, extreme temperaturen en versnelling van deeltjes die de energie van de krachtigste deeltjesversnellers op aarde ver te boven gaan.

Om deze gammaflitsen te analyseren, onderzoekers van de Universiteit van Genève (UNIGE), in samenwerking met het Paul Scherrer Instituut (PSI) van Villigen, Zwitserland, het Institute of High Energy Physics in Peking en het National Center for Nuclear Research van Swierk in Polen, bouwde het POLAR-instrument om gammaflitsen te analyseren, die in 2016 naar het Chinese ruimtelaboratorium Tiangong-2 werd gestuurd. In tegenstelling tot de heersende theorieën, de eerste resultaten van POLAR laten zien dat de hoogenergetische fotonen afkomstig van gammaflitsen niet helemaal chaotisch zijn, noch volledig georganiseerd, maar een mengsel van de twee:binnen korte tijdsintervallen, de fotonen blijken in dezelfde richting te oscilleren, maar de oscillatierichting verandert met de tijd. Deze onverwachte resultaten worden gerapporteerd in een recent nummer van het tijdschrift Natuurastronomie .

Wanneer twee neutronensterren botsen of een superzware ster instort, er ontstaat een zwart gat. Deze geboorte gaat gepaard met een gammastraaluitbarsting (GRB) - een zeer energetische lichtgolflengte zoals die wordt uitgezonden door radioactieve bronnen.

Is de geboorteomgeving van het zwarte gat georganiseerd of chaotisch?

Hoe en waar de gammastralen worden geproduceerd, is nog steeds een mysterie, en er zijn twee stromingen over hun oorsprong. De eerste voorspelt dat fotonen van GRB's gepolariseerd zijn, wat betekent dat de meerderheid van hen in dezelfde richting oscilleert. Als dit het geval zou zijn, de bron van de fotonen zou waarschijnlijk een sterk en goed georganiseerd magnetisch veld zijn, gevormd tijdens de gewelddadige nasleep van de productie van zwarte gaten. Een tweede theorie suggereert dat de fotonen niet gepolariseerd zijn, wat een meer chaotische emissieomgeving impliceert. Maar hoe dit te controleren?

"Onze internationale teams hebben de eerste krachtige en speciale detector gebouwd, genaamd POLAR, in staat om de polarisatie van gammastraling van GRB's te meten. Dit instrument stelt ons in staat om meer te weten te komen over hun bron, " zei Xin Wu, professor in de afdeling Kern- en Deeltjesfysica van de Faculteit Wetenschappen van UNIGE. De werking ervan is eenvoudig. Het is een vierkant van 50 x 50 cm ² bestaande uit 1600 scintillatorstaven waarin de gammastralen botsen met de atomen waaruit deze balken bestaan. Wanneer een foton in een staaf botst, we kunnen het meten. Daarna, het kan een tweede foton produceren dat een tweede zichtbare botsing kan veroorzaken. "Als de fotonen gepolariseerd zijn, we zien een richtingsafhankelijkheid tussen de inslagposities van de fotonen, vervolgt Nicolas Produit, onderzoeker bij de afdeling Sterrenkunde van de Faculteit Wetenschappen van UNIGE. Integendeel, als er geen polarisatie is, het tweede foton dat voortkomt uit de eerste botsing zal in een volledig willekeurige richting vertrekken."

Orde in chaos

Over zes maanden, POLAR heeft 55 gammaflitsen gedetecteerd, en wetenschapper analyseerde de polarisatie van gammastralen van de vijf helderste. De resultaten zijn verrassend, op zijn zachtst gezegd. "Als we de polarisatie van een gammastraaluitbarsting als geheel analyseren, we zien hoogstens een zeer zwakke polarisatie, die duidelijk de voorkeur lijkt te geven aan verschillende theorieën, " zegt Merlijn Kole, een onderzoeker bij de afdeling Kern- en Deeltjesfysica van de Faculteit Wetenschappen van UNIGE en een van de hoofdauteurs van het artikel.

Geconfronteerd met dit eerste resultaat, de wetenschappers keken in meer detail naar een zeer krachtige negen seconden durende gammastraaluitbarsting en sneden deze in tijdsintervallen van twee seconden. "Daar, ontdekten we met verbazing dat, Integendeel, de fotonen zijn in elk plakje gepolariseerd, maar de oscillatierichting is in elke plak anders, " zegt Xin Wu. Het is deze veranderende richting die ervoor zorgt dat de volledige GRB er erg chaotisch en ongepolariseerd uitziet. "De resultaten laten zien dat als de explosie plaatsvindt, er gebeurt iets waardoor de fotonen met een andere polarisatierichting worden uitgezonden. Wat dit zou kunnen zijn, we weten het echt niet, ' zegt Kol.

Deze eerste resultaten confronteren de theoretici met nieuwe informatie, waardoor ze meer gedetailleerde voorspellingen moeten doen. "We willen nu POLAR-2 bouwen, die groter en nauwkeuriger zal zijn. Met dat, we kunnen dieper in deze chaotische processen graven om de bron van de gammastralen te ontdekken en de mysteries van deze zeer energetische fysieke processen te ontrafelen, ", legt Nicolas Produit uit.