Under bildandet av ett svart hål, en ljus explosion av mycket energiskt ljus i form av gammastrålar produceras, dessa händelser kallas gammastrålningskurar. Fysiken bakom detta fenomen inkluderar många av de minst förstådda områdena inom fysiken idag:allmän gravitation, extrema temperaturer och acceleration av partiklar långt över energin hos de mest kraftfulla partikelacceleratorerna på jorden.

För att analysera dessa gammastrålningsskurar, forskare från universitetet i Genève (UNIGE), i samarbete med Paul Scherrer Institute (PSI) i Villigen, Schweiz, Institutet för högenergifysik i Peking och Swierks nationella centrum för kärnforskning i Polen, byggde POLAR-instrumentet för att analysera gammastrålningskurar, som skickades 2016 till det kinesiska rymdlaboratoriet Tiangong-2. I motsats till rådande teorier, de första resultaten av POLAR avslöjar att de högenergifotoner som kommer från gammastrålningsskurar inte heller är helt kaotiska, inte heller helt organiserad, men en blandning av de två:Inom korta tidsintervaller, fotonerna visar sig svänga i samma riktning, men svängningsriktningen ändras med tiden. Dessa oväntade resultat rapporteras i ett färskt nummer av tidskriften Natur astronomi .

När två neutronstjärnor kolliderar eller en supermassiv stjärna kollapsar in i sig själv, ett svart hål skapas. Denna födelse åtföljs av en gammastrålning (GRB) - en mycket energisk ljusvåglängd som den som sänds ut av radioaktiva källor.

Är födelsemiljön med det svarta hålet organiserad eller kaotisk?

Hur och var gammastrålarna produceras är fortfarande ett mysterium, och det finns två tankar om deras ursprung. Den första förutspår att fotoner från GRB är polariserade, vilket innebär att majoriteten av dem svänger i samma riktning. Om detta var fallet, källan till fotonerna skulle sannolikt vara ett starkt och välorganiserat magnetfält som bildades under de våldsamma efterdyningarna av produktionen av svarta hål. En andra teori antyder att fotonerna inte är polariserade, vilket innebär en mer kaotisk utsläppsmiljö. Men hur kontrollerar man detta?

"Våra internationella team har byggt den första kraftfulla och dedikerade detektorn, kallas POLAR, kan mäta polariseringen av gammastrålar från GRB. Detta instrument låter oss lära oss mer om deras källa, sa Xin Wu, professor vid institutionen för kärn- och partikelfysik vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet. Dess funktion är enkel. Det är en kvadrat på 50 x 50 cm ² bestående av 1600 scintillatorstänger där gammastrålarna kolliderar med atomerna som utgör dessa staplar. När en foton kolliderar i en bar, vi kan mäta det. Efteråt, den kan producera en andra foton som kan orsaka en andra synlig kollision. "Om fotonerna är polariserade, vi observerar ett riktningsberoende mellan fotonernas islagspositioner, fortsätter Nicolas Produit, forskare vid institutionen för astronomi vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet. Tvärtom, om det inte finns någon polarisering, den andra fotonen som härrör från den första kollisionen kommer att lämna i en helt slumpmässig riktning."

Ordning i kaos

Om sex månader, POLAR har upptäckt 55 gammastrålningskurar, och forskare analyserade polariseringen av gammastrålar från de fem ljusaste. Resultaten är överraskande, minst sagt. "När vi analyserar polariseringen av en gammastrålning som helhet, vi ser på sin höjd en mycket svag polarisering, vilket tydligt verkar gynna flera teorier, säger Merlin Kole, en forskare vid institutionen för kärn- och partikelfysik vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet och en av uppsatsens huvudförfattare.

Inför detta första resultat, forskarna tittade mer i detalj på en mycket kraftfull nio sekunder lång gammastrålning och skar den i tidsintervall på två sekunder. "Där, vi upptäckte med förvåning att tvärtom, fotonerna är polariserade i varje skiva, men oscillationsriktningen är olika i varje skiva, " säger Xin Wu. Det är denna ändrade riktning som får hela GRB att framstå som väldigt kaotisk och opolariserad. "Resultaten visar att när explosionen äger rum, något händer som gör att fotonerna emitteras med en annan polarisationsriktning. Vad detta kan vara, vi vet verkligen inte, säger Kole.

Dessa första resultat konfronterar teoretikerna med ny information, kräver att de producerar mer detaljerade förutsägelser. "Vi vill nu bygga POLAR-2, som blir större och mer exakt. Med det, vi kan gräva djupare in i dessa kaotiska processer för att upptäcka källan till gammastrålningen och reda ut mysterierna med dessa mycket energiska fysiska processer, " förklarar Nicolas Produit.