Een team van astrofysici onder leiding van de Northwestern University heeft de allereerste volledige 3D-simulatie ontwikkeld van een volledige evolutie van een jet gevormd door een instortende ster, of een 'collapsar'.

Omdat deze jets gammastraaluitbarstingen (GRB's) genereren - de meest energieke en lichtgevende gebeurtenissen in het universum sinds de oerknal - hebben de simulaties licht geworpen op deze eigenaardige, intense lichtuitbarstingen. Hun nieuwe bevindingen bevatten een verklaring voor de al lang bestaande vraag waarom GRB's op mysterieuze wijze worden onderbroken door stille momenten - knipperend tussen krachtige emissies en een griezelig stille stilte. De nieuwe simulatie laat ook zien dat GRB's nog zeldzamer zijn dan eerder werd gedacht.

De nieuwe studie wordt op 29 juni gepubliceerd in Astrophysical Journal Letters . Het markeert de eerste volledige 3D-simulatie van de hele evolutie van een jet - vanaf zijn geboorte nabij het zwarte gat tot zijn emissie na zijn ontsnapping uit de instortende ster. Het nieuwe model is ook de simulatie met de hoogste resolutie ooit van een grootschalige jet.

"Deze jets zijn de krachtigste gebeurtenissen in het universum", zei Northwestern's Ore Gottlieb, die de studie leidde. "Eerdere studies hebben geprobeerd te begrijpen hoe ze werken, maar die studies werden beperkt door rekenkracht en moesten veel aannames bevatten. We waren in staat om de hele evolutie van de jet vanaf het allereerste begin - vanaf zijn geboorte door een zwart gat - te modelleren zonder iets aan te nemen over de structuur van de jet. We volgden de jet van het zwarte gat tot aan de emissielocatie en vonden processen die in eerdere studies over het hoofd werden gezien."

Gottlieb is een Rothschild Fellow in Northwestern's Centre for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Hij was co-auteur van het artikel met CIERA-lid Sasha Tchekhovskoy, een assistent-professor natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern.

Vreemd wiebelen

Het meest lichtgevende fenomeen in het universum, GRB's, ontstaan ​​wanneer de kern van een massieve ster onder zijn eigen zwaartekracht instort en een zwart gat vormt. Als gas in het roterende zwarte gat valt, wordt het bekrachtigd en wordt een jet gelanceerd in de instortende ster. De jet slaat tegen de ster totdat hij er uiteindelijk uit ontsnapt en versnelt met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. Nadat hij zich van de ster heeft losgemaakt, genereert de straal een heldere GRB.

"De jet genereert een GRB wanneer hij ongeveer 30 keer zo groot is als de ster - of een miljoen keer zo groot als het zwarte gat", zei Gottlieb. "Met andere woorden, als het zwarte gat zo groot is als een strandbal, moet de jet zich over heel Frankrijk uitzetten voordat hij een GRB kan produceren."

Vanwege de enorme omvang van deze schaal waren eerdere simulaties niet in staat om de volledige evolutie van de geboorte en de daaropvolgende reis van de jet te modelleren. Met behulp van aannames hebben alle eerdere onderzoeken aangetoond dat de jet zich langs één as voortplant en nooit van die as afwijkt.

Maar de simulatie van Gottlieb liet iets heel anders zien. Terwijl de ster instort tot een zwart gat, valt materiaal van die ster op de schijf van gemagnetiseerd gas die rond het zwarte gat wervelt. Het vallende materiaal zorgt ervoor dat de schijf kantelt, wat op zijn beurt de straal doet kantelen. Terwijl het jet worstelt om opnieuw uit te lijnen met zijn oorspronkelijke baan, wiebelt het in de collapsar.

Dit wiebelen biedt een nieuwe verklaring voor waarom GRB's knipperen. Tijdens de stille momenten stopt de jet niet - zijn emissiestralen straalt weg van de aarde, dus telescopen kunnen hem eenvoudigweg niet waarnemen.

"Emissie van GRB's is altijd onregelmatig", zei Gottlieb. "We zien pieken in de emissie en vervolgens een rusttijd die enkele seconden of langer duurt. De volledige duur van een GRB is ongeveer één minuut, dus deze rusttijden zijn een niet te verwaarlozen fractie van de totale duur. Eerdere modellen waren niet in staat om uit te leggen waar deze rustige tijden vandaan kwamen. Dit wiebelen geeft natuurlijk een verklaring voor dat fenomeen. We observeren de jet wanneer deze naar ons wijst. Maar wanneer de jet wiebelt om van ons af te wijzen, kunnen we zijn emissie niet zien. Dit is onderdeel van Einsteins relativiteitstheorie."

Zeldzaam wordt zeldzamer

Deze wiebelende jets bieden ook nieuwe inzichten in de snelheid en aard van GRB's. Hoewel eerdere studies schatten dat ongeveer 1% van de collapsars GRB's produceert, gelooft Gottlieb dat GRB's eigenlijk veel zeldzamer zijn.

Als de jet beperkt zou zijn om langs één as te bewegen, zou hij slechts een dun deel van de lucht bedekken, waardoor de kans om hem te observeren wordt beperkt. Maar de wiebelige aard van de jet betekent dat astrofysici GRB's in verschillende oriëntaties kunnen observeren, waardoor de kans groter wordt dat ze ze zien. Volgens de berekeningen van Gottlieb zijn GRB's 10 keer beter waarneembaar dan eerder werd gedacht, wat betekent dat astrofysici 10 keer minder GRB's missen dan eerder werd gedacht.

"Het idee is dat we GRB's aan de hemel in een bepaalde snelheid waarnemen, en we willen meer te weten komen over de werkelijke snelheid van GRB's in het universum", legde Gottlieb uit. "De waargenomen en werkelijke snelheden zijn verschillend omdat we alleen de GRB's kunnen zien die naar ons wijzen. Dat betekent dat we iets moeten aannemen over de hoek die deze jets in de lucht bestrijken, om de ware snelheid van GRB's af te leiden. is welk deel van de GRB's we missen. Wiebelen verhoogt het aantal detecteerbare GRB's, dus de correctie van de waargenomen naar de werkelijke snelheid is kleiner. Als we minder GRB's missen, zijn er in totaal minder GRB's in de lucht."

Als dit waar is, stelt Gottlieb, dan kunnen de meeste jets helemaal niet worden gelanceerd of slagen er nooit in om uit de collapsar te ontsnappen om een ​​GRB te produceren. In plaats daarvan blijven ze binnen begraven.

Gemengde energie

De nieuwe simulaties onthulden ook dat een deel van de magnetische energie in de jets gedeeltelijk wordt omgezet in thermische energie. Dit suggereert dat de jet een hybride samenstelling heeft van magnetische en thermische energieën, die de GRB produceren. Dit is een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen van de mechanismen die GRB's aandrijven, en dit is de eerste keer dat onderzoekers de jetsamenstelling van GRB's op het moment van emissie hebben afgeleid.

"Door jets te bestuderen, kunnen we 'zien' wat er diep in de ster gebeurt terwijl deze instort," zei Gottlieb. "Anders is het moeilijk om te leren wat er gebeurt in een ingestorte ster, omdat licht niet uit het binnenste van de sterren kan ontsnappen. Maar we kunnen leren van de jet-emissie - de geschiedenis van de jet en de informatie die het draagt ​​van de systemen die ze lanceren."

De grote vooruitgang van de nieuwe simulatie ligt gedeeltelijk in de rekenkracht. Met behulp van de code "H-AMR" op supercomputers in de Oak Ridge Leadership Computing Facility in Oak Ridge, Tennessee, ontwikkelden de onderzoekers de nieuwe simulatie, die grafische verwerkingseenheden (GPU's) gebruikt in plaats van centrale verwerkingseenheden (CPU's). Uiterst efficiënt in het manipuleren van computergraphics en beeldverwerking, versnellen GPU's de creatie van afbeeldingen op een scherm. + Verder verkennen

De cocons van stervende sterren kunnen snelle blauwe optische transiënten verklaren