Northwestern Üniversitesi araştırmacıları, daha önce büyük yıldız çökmelerine özel olduğu düşünülen uzun gama ışını patlamalarının nötron yıldızı birleşmelerinden de meydana gelebileceğini gösteren simülasyonlar geliştirdiler. Bu keşif, kara delik fiziğinin daha derin anlaşılmasını sağlıyor ve mevcut astrofizik teorilerine meydan okuyor. Kredi bilgileri: SciTechDaily.com
Kara delik-nötron yıldızı birleşmesinin ilk büyük ölçekli sayısal simülasyonu, kafa karıştırıcı gözlemlerle örtüşüyor.
2022’de Northwestern Üniversitesi’nden bilim insanları, uzun gama ışını patlamalarının (GRB’ler) bir nötron yıldızının başka bir nötron yıldızı veya kara delik gibi başka bir yoğun gök cismi ile çarpışmasından kaynaklanabileceğini gösteren yeni gözlemsel veriler sundular. Daha önce imkansız olduğuna inanılıyordu.
Şimdi başka bir Northwestern ekibi, benzeri görülmemiş ve inanılmaz derecede parlak ışık patlamasını neyin oluşturduğuna dair potansiyel bir açıklama sunuyor.
Jet evrimini takip eden ilk sayısal simülasyonu geliştirdikten sonra Kara delik–nötron yıldızı Birleşmenin büyük mesafelere yayılmasıyla astrofizikçiler, 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.
Bir kara delik-nötron yıldızı birleşmesinden kaynaklanan bir jetin büyük ölçekli evriminin tam simülasyonu. Kredi bilgileri: Ore Gottlieb/kuzeybatı Üniversitesi
Araştırma yakın zamanda dergide yayımlandı. Astrofizik Dergisi.
Çalışmayı yöneten Northwestern’den Ore Gottlieb, “Şimdiye kadar hiç kimse, bir jeti kompakt nesne birleşmesinden jetin oluşumuna ve büyük ölçekli evrimine kadar 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 eşleşti.”
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 mekansal ve zamansal ölçek ayrımlarının yanı sıra bu ölçeklerde işleyen çeşitli fizik nedeniyle bir zorluk teşkil ediyor. İlk defa, nötron yıldızı birleşme sürecinin tüm sırasını 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 çökmesi sonucu meydana geldiğini 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.
GRB 211211A’nın kırmızı daire içine alınmış konumu, Hubble’ın Geniş Alan Kamerası 3’teki üç filtre kullanılarak çekilmiştir. Kredi: NASA, ESA, Rastinejad ve diğerleri. (2022)
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. Ön birleşmeden sonra her şey çok daha basitleşiyor çünkü tek 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 üretiyor. Buradaki önemli bir bileşen, zayıf manyetik alanlarla birlikte, gözlemlerle tutarlı ve GRB211211A’nın parlaklığı ve uzun süresiyle karşılaştırılabilecek bir GRB’yi koruyabilen devasa disktir. Her ne kadar bu özel ikili sistemin uzun bir GRB’ye yol açtığını bulsak da, büyük diskler üreten diğer ikili birleşmelerin de benzer sonuçlara 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: Süper bilgisayarlardaki simülasyonları kullanarak bu birleşmelerin evrimini birkaç saniyelik bir sürede 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.
“Şu anki çabalarım fiziksel özellikleri geliştirmeye yönelik. kesinlik simülasyonlardan,” dedi Issa. “Bu, birleşme sürecinin dinamiklerini önemli ölçüde etkileme potansiyeline sahip hayati bir bileşen olan nötrino soğutmanın dahil edilmesini içeriyor. Ayrıca, nötrinoların dahil edilmesi, bu birleşmelerin bir sonucu olarak fırlatılan malzemenin nükleer bileşiminin daha doğru bir şekilde değerlendirilmesine yönelik kritik bir adım olarak hizmet etmektedir. Bu yaklaşım sayesinde amacım, nötron yıldızı birleşmelerinin daha kapsamlı ve doğru bir resmini sunmaktır.”
Referans: Ore Gottlieb, Danat Issa, Jonatan Jacquemin-Ide, Matthew Liska, Francois Foucart, Alexander Tchekhovskoy, Brian D. Metzger, Eliot Quataert, “Kara Delik-Nötron Yıldız Birleşmelerinden Saniyeler Süren Göreli Jetlerin Büyük Ölçekli Evrimi”, Rosalba Perna, Daniel Kasen, Matthew D. Duez, Lawrence E. Kidder, Harald P. Pfeiffer ve Mark A. Scheel, 31 Ağustos 2023, Astrofizik Günlük Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/aceeff
Çalışma şu kuruluş tarafından finanse edildi: NASAUlusal Bilim Vakfı ve ABD Enerji Bakanlığı.