Wetenschap
Astrofysisch onderzoek bevordert het begrip van hoe gammaflitsen licht produceren
Gammastraaluitbarstingen (GRB's) zijn intense uitbarstingen van gammastraling, die doorgaans in een paar seconden meer energie genereren dan de zon gedurende zijn levensduur van tien miljard jaar zal produceren. Deze tijdelijke verschijnselen vormen een van de meest uitdagende puzzels in de astrofysica, die teruggaat tot hun toevallige ontdekking in 1967 door een nucleaire surveillancesatelliet.
Dr. Jon Hakkila, een onderzoeker van de Universiteit van Alabama in Huntsville (UAH), een onderdeel van het University of Alabama System, is hoofdauteur van een artikel in The Astrophysical Journal dat belooft licht te werpen op het gedrag van deze mysterieuze kosmische krachtcentrales door zich te concentreren op de beweging van de jets waar deze krachten vandaan komen. Het artikel is co-auteur van UAH-alumnus Dr. Timothy Giblin, Dr. Robert Preece en Dr. Geoffrey Pendleton van deciBel Research, Inc.
‘Ondanks dat ze al meer dan vijftig jaar worden bestudeerd, zijn de mechanismen waarmee GRB’s licht produceren nog steeds onbekend, een groot mysterie van de moderne astrofysica’, legt Hakkila uit. "Het begrijpen van GRB's helpt ons enkele van de snelste en krachtigste lichtproducerende mechanismen te begrijpen die de natuur gebruikt. GRB's zijn zo helder dat ze over de hele breedte van het universum kunnen worden gezien, en omdat licht zich met een eindige snelheid voortbeweegt, stellen ze ons in staat om terug te kijken naar de vroegste tijden dat sterren bestonden."
Eén reden voor het mysterie is het onvermogen van theoretische modellen om consistente verklaringen te geven voor GRB-kenmerken voor hun lichtcurvegedrag. In de astronomie is een lichtcurve een grafiek van de lichtintensiteit van een hemellichaam als functie van de tijd. Het bestuderen van lichtcurven kan belangrijke informatie opleveren over de fysieke processen die deze veroorzaken, en ook helpen bij het definiëren van de theorieën daarover. Geen twee GRB-lichtcurves zijn identiek, en de duur van de emissie kan variëren van milliseconden tot tientallen minuten als een reeks energetische pulsen.
"Pulsen zijn de basiseenheden van GRB-emissie", zegt Hakkila. "Ze geven tijden aan waarop een GRB helderder wordt en vervolgens vervaagt. Gedurende de tijd dat een GRB-puls wordt uitgezonden, ondergaat deze helderheidsvariaties die soms op zeer korte tijdschalen kunnen optreden. Het vreemde aan deze variaties is dat ze op dezelfde manier omkeerbaar zijn als woorden. zoals 'rotator' of 'kajak' (palindromen) zijn omkeerbaar.
"Het is heel moeilijk te begrijpen hoe dit kan gebeuren, omdat de tijd zich maar in één richting beweegt. Het mechanisme dat licht produceert in een GRB-puls produceert op de een of andere manier een helderheidspatroon en genereert vervolgens hetzelfde patroon in omgekeerde volgorde. Dat is behoorlijk raar, en het maakt GRB's uniek."
Algemeen wordt aangenomen dat GRB-emissie plaatsvindt in relativistische jets (krachtige stromen van straling en deeltjes) die worden gelanceerd vanuit nieuw gevormde zwarte gaten.
‘In deze modellen stort de kern van een stervende massieve ster in en vormt een zwart gat, en materiaal dat in het zwarte gat valt, wordt uit elkaar gescheurd en langs twee tegenover elkaar liggende stralen, of jets, naar buiten gericht’, merkt Hakkila op. "Het straalmateriaal dat in onze richting wijst, wordt met bijna de snelheid van het licht naar buiten uitgeworpen. Omdat de GRB een relatief korte levensduur heeft, is er altijd van uitgegaan dat de straal gedurende de hele gebeurtenis op ons gericht blijft. Maar de in de tijd omgekeerde pulskarakteristieken zijn heel moeilijk uit te leggen als ze afkomstig zijn van een stilstaand straalvliegtuig."
Om deze kenmerken te helpen demystificeren, stelt het artikel voor om beweging aan de jet toe te voegen.
"Het idee van een zijdelings bewegende straal biedt een eenvoudige oplossing waarmee de in de tijd omgekeerde GRB-pulsstructuur kan worden verklaard", zegt de onderzoeker. "Wanneer de jet de gezichtslijn passeert, zal een waarnemer licht zien dat eerst door de ene kant van de jet wordt geproduceerd, dan door het midden van de jet en ten slotte door de andere kant van de jet. De jet zal helderder worden en vervolgens zwakker worden naarmate de straal het centrum van de jet kruist de gezichtslijn, en de radiaal-symmetrische structuur rond de kern van de jet zal in omgekeerde volgorde worden gezien naarmate de jet zwakker wordt."
De snelle uitzetting van straalstralen met gammastraaluitbarstingen, in combinatie met de beweging van het "mondstuk" van de straal ten opzichte van een waarnemer, helpt de structuur van GRB-jets te verlichten.
"Jets moeten materiaal spuiten dat lijkt op de manier waarop een brandslang water spuit", zegt Hakkila. ‘De straal gedraagt zich meer als een vloeibaar dan als een vast object, en een waarnemer die de hele straal zou kunnen zien, zou hem eerder als gebogen dan als recht zien. De beweging van de straal zorgt ervoor dat licht uit verschillende delen van de straal ons op verschillende manieren bereikt. tijden, en dit kan worden gebruikt om het mechanisme waarmee de jet licht produceert beter te begrijpen, evenals een laboratorium voor het bestuderen van de effecten van de speciale relativiteitstheorie."