Düşen yıldız tozu, titrek jetler yanıp sönen gama ışını patlamalarını açıklıyor

Northwestern Üniversitesi liderliğindeki bir astrofizik ekibi, çöken bir yıldız veya bir “çökücü” tarafından oluşturulan bir jetin tüm evriminin ilk tam 3D simülasyonunu geliştirdi.

Bu jetler, Big Bang’den bu yana evrendeki en enerjik ve aydınlık olaylar olan gama ışını patlamaları (GRB’ler) ürettiğinden, simülasyonlar bu tuhaf, yoğun ışık patlamalarına ışık tuttu. Yeni bulguları, GRB’lerin neden sessiz anlarla gizemli bir şekilde noktalandığına dair uzun süredir devam eden bir soru için bir açıklama içeriyor – güçlü emisyonlar ve ürkütücü derecede sessiz bir sessizlik arasında yanıp sönüyor. Yeni simülasyon ayrıca GRB’lerin daha önce düşünülenden daha nadir olduğunu gösteriyor.

Yeni çalışma 29 Haziran’da yayınlanacak. Astrofizik Dergi Mektupları. Bir jetin tüm evriminin ilk tam 3D simülasyonunu işaret ediyor – kara deliğin yakınında doğumundan çöken yıldızdan kaçtıktan sonra emisyonuna kadar. Yeni model aynı zamanda büyük ölçekli bir jetin şimdiye kadarki en yüksek çözünürlüklü simülasyonudur.

Araştırmayı yöneten Northwestern’den Ore Gottlieb, “Bu jetler evrendeki en güçlü olaylardır” dedi. “Önceki çalışmalar nasıl çalıştıklarını anlamaya çalıştı, ancak bu çalışmalar hesaplama gücü ile sınırlıydı ve birçok varsayımı içermesi gerekiyordu. Jetin tüm evrimini en başından – bir kara deliğin doğumundan itibaren – modelleyebildik. Jetin yapısı hakkında hiçbir şey varsaymadan. Jeti kara delikten emisyon bölgesine kadar takip ettik ve daha önceki çalışmalarda gözden kaçan süreçleri bulduk.”

Gottlieb, Northwestern’in Astrofizikte Disiplinlerarası Keşif ve Araştırma Merkezi’nde (CIERA) bir Rothschild Üyesidir. Makaleyi, Northwestern’deki Weinberg Sanat ve Bilim Koleji’nde fizik ve astronomi yardımcı doçenti olan CIERA üyesi Sasha Tchekhovskoy ile birlikte yazdı.

garip sallanma

Evrendeki en parlak fenomen olan GRB’ler, büyük bir yıldızın çekirdeği kendi yerçekimi altında çökerek bir kara delik oluşturduğunda ortaya çıkar. Gaz dönen kara deliğe düştüğünde, enerji verir ve çökmekte olan yıldıza bir jet fırlatır. Jet, sonunda ondan kaçana kadar yıldızı yumruklar ve ışık hızına yakın hızlarda hızlanır. Yıldızdan kurtulduktan sonra jet parlak bir GRB üretir.

Gottlieb, “Jet, yıldızın yaklaşık 30 katına veya kara deliğin bir milyon katına ulaştığında bir GRB üretir.” Dedi. “Başka bir deyişle, kara delik bir plaj topu büyüklüğündeyse, jetin bir GRB üretebilmesi için tüm Fransa boyutunda genişlemesi gerekir.”

Bu ölçeğin büyüklüğü nedeniyle, önceki simülasyonlar jetin doğumunun ve sonraki yolculuğunun tam evrimini modelleyemedi. Varsayımları kullanarak, önceki tüm çalışmalar, jetin bir eksen boyunca yayıldığını ve asla o eksenden sapmadığını buldu.

Ama Gottlieb’in simülasyonu çok farklı bir şey gösterdi. Yıldız bir kara deliğe çökerken, o yıldızdan gelen malzeme kara deliğin etrafında dönen manyetize gaz diskinin üzerine düşer. Düşen malzeme diskin eğilmesine neden olur ve bu da jeti yatırır. Jet, orijinal yörüngesine uyum sağlamaya çalışırken, çöküşün içinde sallanır.

Bu yalpalama, GRB’lerin neden yanıp söndüğüne dair yeni bir açıklama sağlar. Sessiz anlarda jet durmaz – emisyonu Dünya’dan uzaklaşır, bu nedenle teleskoplar onu gözlemleyemez.

Gottlieb, “GRB’lerden kaynaklanan emisyon her zaman düzensizdir.” Dedi. “Emisyonda ani artışlar ve ardından birkaç saniye veya daha uzun süren durgun bir süre görüyoruz. Bir GRB’nin tüm süresi yaklaşık bir dakikadır, bu nedenle bu durgun zamanlar toplam sürenin göz ardı edilemez bir kısmıdır. Önceki modeller değildi. Bu durgun zamanların nereden geldiğini açıklayabiliyor.Bu sallanma doğal olarak bu fenomene bir açıklama getiriyor.jeti bize doğrulttuğunda gözlemliyoruz.Fakat jet yalpalayarak bizden uzağa işaret ettiğinde, emisyonunu göremeyiz.Bu Einstein’ın görelilik kuramının bir parçası.”

Nadir daha nadir hale gelir

Bu titrek jetler ayrıca GRB’lerin oranı ve doğası hakkında yeni bilgiler sağlar. Önceki çalışmalar, çökenlerin yaklaşık %1’inin GRB ürettiğini tahmin etmesine rağmen, Gottlieb, GRB’lerin aslında çok daha nadir olduğuna inanıyor.

Jet tek bir eksen boyunca hareket etmekle sınırlandırılsaydı, o zaman gökyüzünün yalnızca ince bir dilimini kaplayacak ve onu gözlemleme olasılığını sınırlayacaktı. Ancak jetin titrek doğası, astrofizikçilerin GRB’leri farklı yönlerde gözlemleyebileceği ve onları tespit etme olasılığını artırabileceği anlamına gelir. Gottlieb’in hesaplamalarına göre, GRB’ler önceden düşünülenden 10 kat daha fazla gözlemlenebilir, bu da astrofizikçilerin önceden düşünülenden 10 kat daha az GRB’yi kaçırdığı anlamına geliyor.

Gottlieb, “Fikir şu ki, gökyüzünde GRB’leri belirli bir oranda gözlemliyoruz ve evrendeki gerçek GRB’lerin oranını öğrenmek istiyoruz.” “Gözlenen ve gerçek oranlar farklıdır, çünkü yalnızca bize işaret eden GRB’leri görebiliriz. Bu, GRB’lerin gerçek oranını çıkarabilmek için bu jetlerin gökyüzünde kapladığı açı hakkında bir şeyler varsaymamız gerektiği anlamına gelir. GRB’lerin ne kadarını kaçırdığımızdır. Sallanma, saptanabilir GRB’lerin sayısını artırır, bu nedenle gözlemlenenden gerçek orana doğru olan düzeltme daha küçüktür. Daha az GRB’yi kaçırırsak, o zaman gökyüzünde genel olarak daha az GRB olur.”

Gottlieb, eğer bu doğruysa, o zaman jetlerin çoğu ya hiç fırlatılamaz ya da bir GRB üretmek için çöküşten kaçmayı asla başaramaz. Bunun yerine, içeride gömülü kalırlar.

karışık enerji

Yeni simülasyonlar, jetlerdeki manyetik enerjinin bir kısmının kısmen termal enerjiye dönüştüğünü de ortaya çıkardı. Bu, jetin, GRB’yi üreten manyetik ve termal enerjilerin hibrit bir bileşimine sahip olduğunu göstermektedir. GRB’lere güç sağlayan mekanizmaları anlamada önemli bir adım olarak, bu, araştırmacıların emisyon anında GRB’lerin jet bileşimini çıkardıkları ilk zamandır.

Gottlieb, “Çalışma jetleri, çökerken yıldızın derinliklerinde neler olduğunu ‘görmemizi’ sağlıyor.” Dedi. “Aksi takdirde, çöken bir yıldızda ne olduğunu öğrenmek zor çünkü ışık yıldızın içinden kaçamaz. Ancak jet emisyonundan – jetin tarihini ve onları fırlatan sistemlerden taşıdığı bilgileri öğrenebiliriz.”

Yeni simülasyonun en büyük ilerlemesi kısmen hesaplama gücünde yatmaktadır. Oak Ridge, Tennessee’deki Oak Ridge Liderlik Hesaplama Tesisindeki süper bilgisayarlarda “H-AMR” kodunu kullanan araştırmacılar, merkezi işlem birimleri (CPU’lar) yerine grafik işlem birimlerini (GPU’lar) kullanan yeni simülasyonu geliştirdiler. Bilgisayar grafiklerini ve görüntü işlemeyi manipüle etmede son derece verimli olan GPU’lar, bir ekranda görüntülerin oluşturulmasını hızlandırır.