Wetenschappers van de RIKEN Cluster for Pioneering Research en medewerkers hebben simulaties gebruikt om aan te tonen dat de fotonen die worden uitgezonden door lange gammaflitsen, een van de meest energetische gebeurtenissen in het universum, afkomstig zijn uit de fotosfeer - het zichtbare deel van de "relativistische jet" die wordt uitgezonden door exploderende sterren.

Gammastraaluitbarstingen zijn het krachtigste elektromagnetische fenomeen dat in het heelal is waargenomen, het vrijgeven van zoveel energie in slechts een seconde of zo als de zon gedurende zijn hele leven zal vrijgeven. Hoewel ze in 1967 werden ontdekt, het mechanisme achter dit enorme vrijkomen van energie bleef lang mysterieus. Tientallen jaren van studies hebben eindelijk onthuld dat één type, lange bursts genaamd, afkomstig is van relativistische jets van materie die worden uitgestoten tijdens de dood van massieve sterren. Echter, precies hoe gammastralen worden geproduceerd door de jets is nog onbekend.

Het huidige onderzoek, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , begon met een ontdekking genaamd de Yonetoku-relatie, die oorspronkelijk werd gemaakt door een van de auteurs van het papier. Deze relatie tussen de spectrale piekenergie en piekhelderheid van GRB's is de nauwste correlatie die tot nu toe is gevonden in de eigenschappen van GRB-emissie. Het biedt dus de beste diagnose tot nu toe voor het verklaren van het emissiemechanisme, en de strengste test voor elk model van gammaflitsen. Overigens, de relatie betekende ook dat lange gammaflitsen kunnen worden gebruikt als een "standaardkaars" voor het meten van afstand, waardoor astronomen verder in het verleden kunnen kijken dan supernova's van type 1A, die tegenwoordig veel worden gebruikt, maar zijn veel zwakker. Dit zou het mogelijk maken om inzicht te krijgen in de geschiedenis van het heelal, en zou inzichten kunnen opleveren in mysteries zoals donkere materie en donkere energie.

Met behulp van computersimulaties uitgevoerd op verschillende supercomputers, waaronder Aterui van de National Astronomical Observatory of Japan, Hokusai van RIKEN, en Cray xc40 van het Yukawa Institute for Theoretical Physics, de groep concentreerde zich op het zogenaamde "photospheric emissie" -model, een van de toonaangevende modellen voor het emissiemechanisme van GRB's. Dit model stelt dat de op aarde zichtbare fotonen worden uitgezonden vanuit de fotosfeer van de relativistische jet. Naarmate de straal groter wordt, het wordt gemakkelijker voor fotonen om eruit te ontsnappen, omdat er minder objecten beschikbaar zijn om het licht te verstrooien. Dus, de "kritische dichtheid" - de plaats waar het mogelijk wordt voor de fotonen om te ontsnappen - beweegt naar beneden door de straal naar materiaal dat oorspronkelijk steeds hogere dichtheden had.

Om de validiteit van het model te testen, het team wilde het testen op een manier die rekening hield met de wereldwijde dynamiek van relativistische jets en stralingsoverdracht. Door een combinatie van driedimensionale relativistische hydrodynamische simulaties en stralingsoverdrachtsberekeningen te gebruiken om fotosferische emissies te evalueren van een relativistische jet die uit een massieve steromhulling breekt, ze waren in staat om vast te stellen dat het model tenminste werkte in het geval van lange GRB's - het type dat wordt geassocieerd met dergelijke instortende massieve sterren. Hun simulaties onthulden dat de Yonetoku-relatie kon worden gereproduceerd als een natuurlijk gevolg van de jet-stellaire interacties. "Aan ons, " zegt Hirotaka Ito van de Cluster voor baanbrekend onderzoek, "Dit suggereert sterk dat fotosferische emissie het emissiemechanisme van GRB's is."

Hij gaat door, "Hoewel we de oorsprong van de fotonen hebben opgehelderd, er zijn nog steeds mysteries over hoe de relativistische jets zelf worden gegenereerd door de instortende sterren. Onze berekeningen zouden waardevolle inzichten moeten opleveren voor het onderzoeken van het fundamentele mechanisme achter het genereren van deze enorm krachtige gebeurtenissen."