Gammastrålning (GRB) är intensiva skurar av gammastrålning, som vanligtvis genererar mer energi på några sekunder än vad solen kommer att producera under sin tio miljarder år långa livstid. Dessa övergående fenomen presenterar ett av de mest utmanande pusslen inom astrofysik, som går tillbaka till deras oavsiktliga upptäckt 1967 av en nukleär övervakningssatellit.
Dr Jon Hakkila, en forskare från University of Alabama i Huntsville (UAH), en del av University of Alabama System, är huvudförfattare på en artikel i The Astrophysical Journal som lovar att kasta ljus över beteendet hos dessa mystiska kosmiska kraftverk genom att fokusera på rörelsen hos jetstrålarna där dessa krafter har sitt ursprung. Uppsatsen är medförfattare av UAH-alumnen Dr. Timothy Giblin, Dr. Robert Preece och Dr. Geoffrey Pendleton från deciBel Research, Inc.
"Trots att de har studerats i över femtio år är mekanismerna genom vilka GRB:er producerar ljus fortfarande okända, ett stort mysterium för modern astrofysik," förklarar Hakkila. "Att förstå GRBs hjälper oss att förstå några av de snabbaste och mest kraftfulla ljusproducerande mekanismerna som naturen använder. GRB:er är så ljusa att de kan ses över hela universums bredd och - eftersom ljus färdas med en ändlig hastighet - tillåter de oss att se tillbaka till de tidigaste tiderna då stjärnor fanns."
En anledning till mysteriet är oförmågan hos teoretiska modeller att ge konsekventa förklaringar av GRB-egenskaper för deras ljuskurvans beteende. Inom astronomi är en ljuskurva en graf över ljusintensiteten hos ett himlaobjekt som funktion av tiden. Att studera ljuskurvor kan ge betydande information om de fysiska processer som producerar dem, samt hjälpa till att definiera teorierna om dem. Inga två GRB-ljuskurvor är identiska, och emissionens varaktighet kan variera från millisekunder till tiotals minuter som en serie av energiska pulser.
"Bulser är de grundläggande enheterna för GRB-utsläpp", säger Hakkila. "De indikerar tidpunkter när en GRB ljusnar och därefter tonar bort. Under tiden en GRB-puls sänder ut genomgår den ljusstyrkavariationer som ibland kan inträffa på mycket korta tidsskalor. Det konstiga med dessa variationer är att de är reversibla på samma sätt som ord som 'rotator' eller 'kajak' (palindromer) är reversibla.
"Det är väldigt svårt att förstå hur detta kan hända, eftersom tiden bara rör sig i en riktning. Mekanismen som producerar ljus i en GRB-puls producerar på något sätt ett ljusstyrkamönster och genererar sedan samma mönster i omvänd ordning. Det är ganska konstigt, och det gör GRB:s unika."
GRB-utsläpp antas generellt ske inom relativistiska jetstrålar – kraftfulla strömmar av strålning och partiklar – som skjuts upp från nybildade svarta hål.
"I dessa modeller kollapsar kärnan av en döende massiv stjärna för att bilda ett svart hål, och material som faller in i det svarta hålet slits isär och omdirigeras utåt längs två motsatta strålar, eller jetstrålar," noterar Hakkila. "Jetmaterialet som pekar i vår riktning skjuts ut med nästan ljusets hastighet. Eftersom GRB är relativt kortlivad har det alltid antagits att strålen förblir att peka mot oss under hela händelsen. Men de tidsomvända pulsegenskaperna har varit mycket svåra att förklara om de kommer från ett icke-rörligt jetflygplan."
För att hjälpa till att avmystifiera dessa egenskaper föreslår tidningen att man lägger till rörelse till jetstrålen.
"Idén med en jet som rör sig i sidled ger en enkel lösning med vilken tidsomvänd GRB-pulsstruktur kan förklaras", säger forskaren. "När strålen korsar siktlinjen kommer en observatör att se ljus som produceras först av ena sidan av strålen, sedan strålens centrum och slutligen den andra sidan av strålen. Strålen kommer att ljusna och sedan bli svagare när jetcentrum korsar siktlinjen, och den radiellt symmetriska strukturen runt jetens kärna kommer att ses i omvänd ordning när strålen blir svagare."
Den snabba expansionen av gammastrålar, i kombination med rörelsen av jetstrålens "munstycke" i förhållande till en observatör, hjälper till att belysa strukturen hos GRB-strålar.
"Jets måste spruta material som liknar hur en brandslang sprutar vatten", säger Hakkila. "Jeten beter sig mer som en vätska än ett fast föremål, och en observatör som kunde se hela strålen skulle se den som krökt snarare än rak. Munstyckets rörelse gör att ljus från olika delar av strålen når oss vid olika gånger, och detta kan användas för att bättre förstå mekanismen genom vilken jetstrålen producerar ljus, samt ett laboratorium för att studera effekterna av speciell relativitet."
Mer information: Jon Hakkila et al, Gamma-Ray Burst Pulses and Lateral Jet Motion, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2f26
Journalinformation: Astrofysisk tidskrift
Tillhandahålls av University of Alabama i Huntsville
