Ett team av astrofysiker som leds av Northwestern University har utvecklat den första fullständiga 3D-simuleringen någonsin av en hel utveckling av en jet som bildas av en kollapsande stjärna, eller en "kollapsar".

Eftersom dessa jetstrålar genererar gammastrålningskurar (GRB) – de mest energiska och lysande händelserna i universum sedan Big Bang – har simuleringarna kastat ljus över dessa märkliga, intensiva ljusskurar. Deras nya rön inkluderar en förklaring till den långvariga frågan om varför GRB:er på mystiskt sätt präglas av tysta stunder – blinkande mellan kraftfulla utsläpp och en kusligt tyst stillhet. Den nya simuleringen visar också att GRB är ännu sällsyntare än man tidigare trott.

Den nya studien kommer att publiceras den 29 juni i Astrophysical Journal Letters . Det markerar den första fullständiga 3D-simuleringen av hela utvecklingen av ett jetplan – från dess födelse nära det svarta hålet till dess utsläpp efter att ha rymt från den kollapsande stjärnan. Den nya modellen är också den högsta upplösningssimuleringen någonsin av en storskalig jet.

"Dessa jetplan är de mest kraftfulla händelserna i universum", säger Northwesterns Ore Gottlieb, som ledde studien. "Tidigare studier har försökt förstå hur de fungerar, men dessa studier var begränsade av beräkningskraft och var tvungna att inkludera många antaganden. Vi kunde modellera hela utvecklingen av jetplanet från första början - från dess födelse av ett svart hål - utan att anta något om strålens struktur. Vi följde strålen från det svarta hålet hela vägen till utsläppsplatsen och hittade processer som har förbisetts i tidigare studier."

Gottlieb är en Rothschild-stipendiat vid Northwesterns Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Han skrev artikeln tillsammans med CIERA-medlemmen Sasha Tchekhovskoy, biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences.

Konstigt vinglande

Det mest lysande fenomenet i universum, GRB:er dyker upp när kärnan i en massiv stjärna kollapsar under sin egen gravitation och bildar ett svart hål. När gas faller in i det roterande svarta hålet aktiveras den – och skickar en stråle in i den kollapsande stjärnan. Strålen slår stjärnan tills den slutligen flyr från den och accelererar med hastigheter nära ljusets hastighet. Efter att ha brutit sig loss från stjärnan genererar strålen en ljus GRB.

"Jeten genererar en GRB när den når cirka 30 gånger storleken på stjärnan - eller en miljon gånger storleken på det svarta hålet," sa Gottlieb. "Med andra ord, om det svarta hålet är lika stort som en badboll måste strålen expandera över hela Frankrike innan den kan producera en GRB."

På grund av den enorma skalan har tidigare simuleringar inte kunnat modellera hela utvecklingen av jetplanets födelse och efterföljande resa. Med antaganden visade alla tidigare studier att strålen utbreder sig längs en axel och aldrig avviker från den axeln.

Men Gottliebs simulering visade något helt annat. När stjärnan kollapsar till ett svart hål faller material från den stjärnan på skivan av magnetiserad gas som virvlar runt det svarta hålet. Det fallande materialet får skivan att luta, vilket i sin tur lutar strålen. När jetplanen kämpar för att anpassa sig till sin ursprungliga bana, vinglar den inuti kollapsaren.

Denna vingling ger en ny förklaring till varför GRB:er blinkar. Under de tysta stunderna stannar inte jetstrålen – dess emission strålar bort från jorden, så teleskop kan helt enkelt inte observera det.

"Utsläpp från GRB är alltid oregelbundet," sa Gottlieb. "Vi ser toppar i emission och sedan en vilotid som varar i några sekunder eller mer. Hela varaktigheten av en GRB är ungefär en minut, så dessa vilotider är en icke försumbar del av den totala varaktigheten. Tidigare modeller var inte kunna förklara varifrån dessa lugna tider kom. Denna vingling ger naturligtvis en förklaring till fenomenet. Vi observerar strålen när den pekar mot oss. Men när strålen vinglar för att peka bort från oss kan vi inte se dess utsläpp. Detta är en del av Einsteins relativitetsteori."

Sällsynt blir sällsyntare

Dessa vingliga jetstrålar ger också nya insikter om hastigheten och naturen hos GRB. Även om tidigare studier uppskattat att cirka 1 % av kollapsarerna producerar GRB, tror Gottlieb att GRB faktiskt är mycket sällsyntare.

Om strålen var tvungen att röra sig längs en axel, skulle den bara täcka en tunn del av himlen - vilket begränsar sannolikheten för att observera den. Men jetstrålens vingliga natur gör att astrofysiker kan observera GRB:er i olika riktningar, vilket ökar sannolikheten för att upptäcka dem. Enligt Gottliebs beräkningar är GRB 10 gånger mer observerbara än man tidigare trott, vilket innebär att astrofysiker saknar 10 gånger färre GRB än man tidigare trott.

"Tanken är att vi observerar GRBs på himlen i en viss takt, och vi vill lära oss om den sanna graden av GRBs i universum," förklarade Gottlieb. "De observerade och sanna hastigheterna är olika eftersom vi bara kan se de GRB:er som pekar på oss. Det betyder att vi måste anta något om vinkeln som dessa jetstrålar täcker på himlen, för att kunna sluta sig till den sanna frekvensen av GRB:er. Det är, vilken bråkdel av GRB:er vi saknar. Wobbling ökar antalet detekterbara GRB:er, så korrigeringen från den observerade till sanna frekvensen är mindre. Om vi ​​missar färre GRB:er finns det totalt sett färre GRB:er på himlen."

Om detta är sant, hävdar Gottlieb, så misslyckas de flesta av jetplanen att lanseras alls eller lyckas aldrig fly från kollapsaren för att producera en GRB. Istället förblir de begravda inuti.

Blandad energi

De nya simuleringarna avslöjade också att en del av den magnetiska energin i strålarna delvis omvandlas till termisk energi. Detta tyder på att strålen har en hybridsammansättning av magnetiska och termiska energier, som producerar GRB. Som ett stort steg framåt för att förstå mekanismerna som driver GRB:er, är detta första gången forskare har slutit sig till jetsammansättningen av GRB:er vid tidpunkten för utsläpp.

"Att studera jetplan gör det möjligt för oss att "se" vad som händer djupt inuti stjärnan när den kollapsar, sa Gottlieb. "Annars är det svårt att lära sig vad som händer i en kollapsad stjärna eftersom ljus inte kan fly från stjärnans inre. Men vi kan lära oss av jetstrålningen - jetstrålningens historia och informationen som den bär från systemen som lanserar dem."

Det stora framstegen med den nya simuleringen ligger delvis i dess beräkningskraft. Med hjälp av koden "H-AMR" på superdatorer vid Oak Ridge Leadership Computing Facility i Oak Ridge, Tennessee, utvecklade forskarna den nya simuleringen, som använder grafiska bearbetningsenheter (GPU) istället för centrala bearbetningsenheter (CPU). Extremt effektiva på att manipulera datorgrafik och bildbehandling, GPU:er påskyndar skapandet av bilder på en skärm. + Utforska vidare

Döende stjärnors kokonger kan förklara snabba blå optiska transienter