Uzun ömürlü jetle açıklanan benzeri görülmemiş gama ışını patlaması

Geçen yıl, Northwestern Üniversitesi araştırmacıları, uzun gama ışını patlamalarının (GRB’ler), bir nötron yıldızının başka bir kompakt nesneyle (başka bir nötron yıldızı veya kara delik) birleşmesinden kaynaklanabileceğine dair yeni gözlemsel kanıtlar bildirdi; imkansız.

Şimdi başka bir Northwestern ekibi, benzeri görülmemiş ve inanılmaz derecede parlak ışık patlamasını neyin oluşturduğuna dair potansiyel bir açıklama sunuyor. “Kara delik-nötron yıldızı birleşmelerinden saniyeler süren göreceli jetlerin büyük ölçekli evrimi” başlıklı çalışma, 31 Ağustos’ta The Guardian’da yayınlandı. Astrofizik Dergisi.

Astrofizikçiler, kara delik-nötron yıldızı birleşmesinde büyük mesafelerdeki jet evrimini takip eden ilk sayısal simülasyonu geliştirdikten sonra, birleşme sonrası kara deliğin, yutulan nötron yıldızından malzeme jetleri fırlatabildiğini keşfettiler.

Ancak temel bileşenler, kara deliği çevreleyen şiddetli gaz girdabının (veya birikim diskinin) kütlesi ve diskin manyetik alanının gücüdür.

Devasa disklerde manyetik alan güçlü olduğunda kara delik şimdiye kadar gözlemlerde görülenlerden çok daha parlak olan kısa süreli bir jet fırlatır. Ancak devasa disk daha zayıf bir manyetik alana sahip olduğunda kara delik, 2021’de tespit edilen ve 2022’de rapor edilen gizemli GRB (GRB211211A olarak adlandırılır) ile aynı parlaklığa ve uzun süreye sahip bir jet fırlatır.

Yeni keşif sadece uzun GRB’lerin kökenlerini açıklamaya yardımcı olmakla kalmıyor, aynı zamanda kara deliklerin doğası ve fiziği, manyetik alanları ve birikim diskleri hakkında da fikir veriyor.

Çalışmayı yöneten Northwestern’den Ore Gottlieb, “Şimdiye kadar hiç kimse, kompakt nesne birleşmesinden jetin oluşumuna ve büyük ölçekli evrimine kadar bir jeti tutarlı bir şekilde takip eden herhangi bir sayısal çalışma veya simülasyon geliştirmedi” dedi. . “Çalışmamızın motivasyonu bunu ilk kez yapmaktı. Ve bulduğumuz şey GRB211211A’nın gözlemleriyle eşleşiyordu.”

Çalışmayı Gottlieb ile birlikte yöneten Northwestern’den Danat Issa, “Nötron yıldızı birleşmeleri, hem yerçekimsel hem de elektromanyetik dalgalarla sonuçlanan büyüleyici bir çoklu haberci olgusudur” dedi. “Ancak, bu olayları simüle etmek, geniş uzaysal ve zamansal ölçek ayrımlarının yanı sıra bu ölçeklerde işleyen çeşitli fizikler nedeniyle bir zorluk teşkil ediyor. İlk kez, nötron yıldızı birleşme sürecinin tüm dizisini kapsamlı bir şekilde modellemeyi başardık. ”

Araştırma sırasında Gottlieb, Northwestern Astrofizik Disiplinlerarası Araştırma ve Araştırma Merkezi’nde (CIERA) CIERA Üyesi olarak görev yaptı; şu anda Flatiron Enstitüsü Hesaplamalı Astrofizik Merkezi’nde Flatiron Araştırma Görevlisidir. Issa, Northwestern Weinberg Sanat ve Bilim Koleji’nin Fizik ve Astronomi Bölümü’nde yüksek lisans öğrencisidir ve CIERA üyesidir. Issa’ya Weinberg’de fizik ve astronomi doçenti ve CIERA üyesi olan makalenin ortak yazarı Alexander Tchekhovskoy danışmanlık yapıyor.

Meraklı kilonova

Gökbilimciler GRB211211A’yı ilk kez Aralık 2021’de tespit ettiğinde, başlangıçta 50 saniye süren olayın büyük bir yıldızın çöküşünden kaynaklandığını varsaydılar. Ancak, uzun GRB’nin gün batımı sonrası kızıllık olarak adlandırılan geç zaman emisyonunu incelediklerinde, yalnızca bir nötron yıldızının başka bir kompakt nesneyle birleşmesinden sonra meydana gelen nadir bir olay olan bir kilonovanın kanıtını ortaya çıkardılar.

Bulgu (yayınlandı) Doğa Aralık 2022’de) yalnızca süpernovaların uzun GRB’ler üretebileceği yönündeki köklü ve uzun zamandır kabul edilen inancı altüst etti.

Gottlieb, “GRB 211211A, büyük yıldızlarla ilişkili olmayan, ancak muhtemelen kompakt ikili birleşmelerden kaynaklanan uzun süreli GRB’lerin kökenine olan ilgiyi yeniden alevlendirdi” dedi.

Birleşme öncesinden uzun GRB’ye

Gottlieb, Issa ve işbirlikçileri, kompakt birleşme etkinlikleri sırasında neler olduğunu daha fazla ortaya çıkarmak için, birleşme öncesinden GRB üreten jetlerin kapandığı GRB olayının sonuna kadar tüm süreci simüle etmeye çalıştı. Hesaplama açısından inanılmaz derecede pahalı bir başarı olduğundan, senaryonun tamamı daha önce hiç modellenmemişti. Gottlieb ve Issa, senaryoyu iki simülasyona bölerek bu zorluğun üstesinden geldi.

İlk olarak araştırmacılar birleşme öncesi aşamanın bir simülasyonunu gerçekleştirdiler. Daha sonra ilk simülasyonun çıktısını alıp birleşme sonrası simülasyona bağladılar.

Tchekhovskoy, “İki simülasyon tarafından kullanılan uzay-zaman farklı olduğundan, bu yeniden haritalama umduğumuz kadar basit olmadı, ancak Danat bunu çözdü.” dedi.

Gottlieb, “İki simülasyonun zincirleme bağlanması, hesaplamayı çok daha ucuz hale getirmemize olanak sağladı” dedi. “Birleşme öncesi aşamada fizik çok karmaşık çünkü iki nesne var. Birleşme öncesi aşamada çok daha basitleşiyor çünkü yalnızca bir kara delik var.”

Simülasyonda, kompakt nesneler ilk olarak daha büyük bir kara delik oluşturmak için birleşti. Kara deliğin yoğun yerçekimi, artık yok olan nötron yıldızının kalıntılarını kendisine doğru çekti. Enkaz kara deliğe düşmeden önce, enkazın bir kısmı ilk önce bir birikim diski olarak kara deliğin etrafında girdap gibi dönüyordu. İncelenen konfigürasyonda, ortaya çıkan disk özellikle güneşimizin onda biri kadar kütleye sahipti. Daha sonra, kütle diskten kara deliğin içine düştüğünde, kara deliğe ışık hızına yakın bir hıza ulaşan bir jet fırlatması için güç sağladı.

Disk özellikleri önemlidir

Araştırmacılar devasa diskin manyetik alanının gücünü ayarlarken bir sürpriz ortaya çıktı. Güçlü bir manyetik alan kısa, inanılmaz derecede parlak bir GRB ile sonuçlanırken, zayıf bir manyetik alan, uzun GRB’lerin gözlemleriyle eşleşen bir jet üretti.

Gottlieb, “Manyetik alan ne kadar güçlü olursa ömrü de o kadar kısa olur” dedi.

“Zayıf manyetik alanlar, yeni oluşan kara deliğin daha uzun süre dayanabileceği daha zayıf jetler üretir. Buradaki anahtar bileşen, zayıf manyetik alanlarla birlikte, gözlemlerle tutarlı ve parlaklık ve uzunluğa benzer bir GRB’yi koruyabilen devasa disktir. GRB211211A’nın süresi. Her ne kadar bu özel ikili sistemin uzun bir GRB’ye yol açtığını bulsak da, büyük diskler üreten diğer ikili birleşmelerin de benzer bir sonuca yol açacağını bekliyoruz. Bu sadece birleşme sonrası disk kütlesi meselesi.”

Elbette bu senaryoda “uzun” görecelidir. GRB’ler iki sınıfa ayrılır. Süresi iki saniyeden kısa olan GRB’ler kısa kabul edilir. Bir GRB iki saniye veya daha uzunsa, uzun olduğu kabul edilir. Bu özetteki olayların bile modellenmesi hala son derece zordur.

Issa, “Bu disk malzemesinin büyük bir kısmı sonuçta kara delik tarafından tüketiliyor ve tüm süreç sadece birkaç saniye sürüyor” dedi. “Asıl zorluk burada yatıyor: Bu birleşmelerin evrimini, süper bilgisayarlardaki simülasyonları kullanarak birkaç saniyelik bir süre boyunca yakalamak çok zordur.”

Sıradaki: Nötrinolar

Artık Gottlieb ve Issa, birleşmenin tüm aşamasını başarılı ve kapsamlı bir şekilde modellediklerine göre, modellerini güncellemeye ve geliştirmeye devam etmekten heyecan duyuyorlar.

Issa, “Şu andaki çabalarım simülasyonların fiziksel doğruluğunu artırmaya yöneliktir” dedi. “Bu, birleşme sürecinin dinamiklerini önemli ölçüde etkileme potansiyeli taşıyan hayati bir bileşen olan nötrino soğutmanın dahil edilmesini içeriyor. Ayrıca, nötrinoların dahil edilmesi, malzemenin nükleer bileşiminin daha doğru bir şekilde değerlendirilmesine yönelik kritik bir adım olarak hizmet ediyor.” bu birleşmelerin bir sonucu olarak dışarı atıldı. Bu yaklaşım sayesinde amacım, nötron yıldızı birleşmelerinin daha kapsamlı ve doğru bir resmini sunmaktır.”