Forskare från RIKEN Cluster for Pioneering Research och medarbetare har använt simuleringar för att visa att fotoner som emitteras av långa gammastrålningsskurar, bland de mest energiska händelserna som har ägt rum i universum, har sitt ursprung i fotosfären - den synliga delen av den "relativistiska jetstrålen" som sänds ut av exploderande stjärnor.

Gammastrålningskurar är det mest kraftfulla elektromagnetiska fenomenet som observerats i universum, frigör så mycket energi på bara någon sekund som solen kommer att släppa ut under hela sin livstid. Även om de upptäcktes 1967, mekanismen bakom detta enorma frigörande av energi förblev länge mystisk. Årtionden av studier avslöjade slutligen att en typ som kallas långa skurar härrör från relativistiska materiajetstrålar som skjuts ut under döden av massiva stjärnor. Dock, exakt hur gammastrålar produceras från strålarna är fortfarande okänt.

Den aktuella forskningen, publiceras i Naturkommunikation , började från en upptäckt som kallas Yonetoku-relationen, som ursprungligen gjordes av en av författarna till tidningen. Detta samband mellan den spektrala toppenergin och toppljusstyrkan för GRB:er är den snävaste korrelationen som hittills hittats i egenskaperna för GRB-emission. Det ger alltså den bästa diagnostiken hittills för att förklara emissionsmekanismen, och det strängaste testet för alla modeller av gammastrålning. Tillfälligtvis, förhållandet innebar också att långa gammastrålar kunde användas som ett "standardljus" för att mäta avstånd, tillåter astronomer att titta längre in i det förflutna än supernovor av typ 1A, som används idag, men är mycket mörkare. Detta skulle göra det möjligt att få insikter i universums historia, och kunde ge insikter i mysterier som mörk materia och mörk energi.

Med hjälp av datorsimuleringar utförda på flera superdatorer, inklusive Aterui från National Astronomical Observatory of Japan, Hokusai från RIKEN, och Cray xc40 från Yukawa Institute for Theoretical Physics, gruppen fokuserade på den så kallade "fotosfäriska emissions"-modellen, en av de ledande modellerna för utsläppsmekanismen för GRB. Denna modell postulerar att fotoner som är synliga på jorden emitteras från fotosfären av den relativistiska jetstrålen. När strålen expanderar, det blir lättare för fotoner att fly inifrån den, eftersom det finns färre föremål tillgängliga för att sprida ljuset. Således, den "kritiska densiteten" — platsen där det blir möjligt för fotonerna att fly — rör sig nedåt genom strålen till material som ursprungligen hade högre och högre densiteter.

För att testa modellens giltighet, teamet försökte testa det på ett sätt som tog hänsyn till den globala dynamiken hos relativistiska jetstrålar och strålningsöverföring. Genom att använda en kombination av tredimensionella relativistiska hydrodynamiska simuleringar och strålningsöverföringsberäkningar för att utvärdera fotosfäriska emissioner från en relativistisk jet som bryter ut ur ett massivt stjärnhölje, de kunde fastställa att åtminstone i fallet med långa GRB – den typ som associeras med sådana kollapsande massiva stjärnor – fungerade modellen. Deras simuleringar avslöjade att Yonetoku-relationen kunde reproduceras som en naturlig konsekvens av jet-stjärninteraktionerna. "Till oss, " säger Hirotaka Ito från Cluster for Pioneering Research, "Detta tyder starkt på att fotosfärisk emission är emissionsmekanismen för GRB."

Han fortsätter, "Medan vi har klarlagt ursprunget till fotonerna, det finns fortfarande mysterier om hur de relativistiska jetstrålarna själva genereras av de kollapsande stjärnorna. Våra beräkningar borde ge värdefulla insikter för att undersöka den grundläggande mekanismen bakom genereringen av dessa oerhört kraftfulla händelser."