W zeszłym roku badacze z Northwestern University przedstawili nowe dowody obserwacyjne na to, że długie rozbłyski gamma (GRB) mogą powstawać w wyniku połączenia gwiazdy neutronowej z innym zwartym obiektem (inną gwiazdą neutronową lub czarną dziurą) – odkrycie, o którym wcześniej sądzono, że Być niemożliwym.
Teraz inny zespół z Northwestern oferuje potencjalne wyjaśnienie tego, co wygenerowało bezprecedensowy i niezwykle świetlisty rozbłysk światła.
Po opracowaniu pierwszej symulacji numerycznej, która śledzi ewolucję dżetu podczas łączenia się czarnej dziury i gwiazdy neutronowej na duże odległości, astrofizycy odkryli, że po połączeniu czarna dziura może wystrzelić dżety materiału z połkniętej gwiazdy neutronowej.
Jednak kluczowymi składnikami są masa gwałtownego wiru gazu (lub dysku akrecyjnego) otaczającego czarną dziurę oraz siła pola magnetycznego dysku. W masywnych dyskach, gdy pole magnetyczne jest silne, czarna dziura wystrzeliwuje krótkotrwały dżet, który jest znacznie jaśniejszy niż cokolwiek, co kiedykolwiek zaobserwowano w obserwacjach. Kiedy jednak masywny dysk ma słabsze pole magnetyczne, czarna dziura wystrzeliwuje dżet o tej samej jasności i długim czasie trwania, co tajemniczy GRB (nazwany GRB211211A) dostrzeżony w 2021 r. i zgłoszony w 2022 r.
Nowe odkrycie nie tylko pomaga wyjaśnić pochodzenie długich GRB, ale także daje wgląd w naturę i fizykę czarnych dziur, ich pola magnetyczne i dyski akrecyjne.
Wyniki badania zostaną opublikowane w czwartek (31 sierpnia) w czasopiśmie Astrophysical Journal.
„Jak dotąd nikt inny nie opracował żadnych prac numerycznych ani symulacji, które konsekwentnie podążałyby za strumieniem od momentu połączenia zwartego obiektu do powstania strumienia i jego ewolucji na dużą skalę” – powiedział Ore Gottlieb z Northwestern, który współkierował pracami . „Motywacją do naszej pracy było zrobienie tego po raz pierwszy. I tak się złożyło, że to, co znaleźliśmy, zgadzało się z obserwacjami GRB211211A”.
„Połączenia gwiazd neutronowych to fascynujące zjawisko obejmujące wielu posłańców, w wyniku którego powstają zarówno fale grawitacyjne, jak i elektromagnetyczne” – powiedział Danat Issa z Northwestern, który współkierował pracami z Gottliebem. „Jednak symulowanie tych zdarzeń stanowi wyzwanie ze względu na ogromne separacje skal przestrzennych i czasowych, a także zróżnicowaną fizykę zachodzącą w tych skalach. Po raz pierwszy udało nam się kompleksowo modelować całą sekwencję procesu łączenia się gwiazd neutronowych .”
Podczas badań Gottlieb był stypendystą CIERA w Centrum Interdyscyplinarnych Poszukiwań i Badań Astrofizycznych Northwestern (CIERA); obecnie jest pracownikiem naukowym Flatiron w Centrum Astrofizyki Obliczeniowej Instytutu Flatiron. Issa jest absolwentem Wydziału Fizyki i Astronomii Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern oraz członkiem CIERA. Doradztwem Issy jest współautor artykułu Alexander Tchevovskoy, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii na Uniwersytecie Weinberg oraz członek CIERA.
Ciekawa kilonowa
Kiedy astronomowie po raz pierwszy zauważyli GRB211211A w grudniu 2021 r., początkowo założyli, że trwające 50 sekund zdarzenie powstało w wyniku zapadnięcia się masywnej gwiazdy. Jednak badając późną emisję długiego GRB, zwaną poświatą, odkryli dowody na istnienie kilonowej, rzadkiego zdarzenia, które ma miejsce dopiero po połączeniu gwiazdy neutronowej z innym zwartym obiektem.
Odkrycie (opublikowane w czasopiśmie Nature w grudniu 2022 r.) obaliło ugruntowane i długo akceptowane przekonanie, że tylko supernowe mogą generować długie GRB.
„GRB 211211A ponownie rozpaliła zainteresowanie pochodzeniem długotrwałych GRB, które nie są powiązane z masywnymi gwiazdami, ale prawdopodobnie pochodzą z łączenia się zwartych układów podwójnych” – powiedział Gottlieb.
Od stanu sprzed fuzji do długiego GRB
Aby lepiej ujawnić, co dzieje się podczas wydarzeń związanych z fuzją kompaktową, Gottlieb, Issa i ich współpracownicy starali się zasymulować cały proces – od momentu przed fuzją aż do końca zdarzenia GRB, kiedy wyłączają się odrzutowce wytwarzające GRB. Ponieważ jest to przedsięwzięcie niezwykle kosztowne obliczeniowo, nigdy wcześniej nie modelowano całego scenariusza. Gottlieb i Issa poradzili sobie z tym wyzwaniem, dzieląc scenariusz na dwie symulacje.
Najpierw badacze przeprowadzili symulację fazy poprzedzającej fuzję. Następnie pobrali dane wyjściowe z pierwszej symulacji i podłączyli je do symulacji po fuzji.
„Ponieważ czasoprzestrzeń wykorzystana w obu symulacjach jest inna, ponowne mapowanie nie było tak proste, jak się spodziewaliśmy, ale Danat to rozpracował” – powiedział Tchevovskoy.
„Połączenie łańcuchowe obu symulacji pozwoliło nam znacznie obniżyć koszty obliczeń” – powiedział Gottlieb. „Fizyka jest bardzo skomplikowana na etapie przed połączeniem, ponieważ istnieją dwa obiekty. Po połączeniu wstępnym staje się znacznie prostsza, ponieważ jest tylko jedna czarna dziura”.
W symulacji zwarte obiekty najpierw połączyły się, tworząc masywniejszą czarną dziurę. Intensywna grawitacja czarnej dziury przyciągnęła w jej stronę szczątki zniszczonej gwiazdy neutronowej. Zanim szczątki wpadły do czarnej dziury, część z nich najpierw wirowała wokół czarnej dziury jako dysk akrecyjny. W badanej konfiguracji wyłaniający się dysk był szczególnie masywny i stanowił jedną dziesiątą masy naszego Słońca. Następnie, gdy masa spadła z dysku do czarnej dziury, zasiliła czarną dziurę i wystrzeliła dżet, który przyspieszył do prędkości bliskiej prędkości światła.
Właściwości dysku mają znaczenie
Gdy badacze dostosowali siłę pola magnetycznego masywnego dysku, pojawiła się niespodzianka. Podczas gdy silne pole magnetyczne spowodowało powstanie krótkiego, niewiarygodnie jasnego GRB, słabe pole magnetyczne wygenerowało dżet odpowiadający obserwacjom długich GRB.
„Im silniejsze pole magnetyczne, tym krótszy jest jego czas życia” – powiedział Gottlieb. „Słabe pola magnetyczne wytwarzają słabsze dżety, które nowo utworzona czarna dziura może utrzymać przez dłuższy czas. Kluczowym składnikiem jest tutaj masywny dysk, który może utrzymać, wraz ze słabymi polami magnetycznymi, GRB zgodny z obserwacjami i porównywalny z jasnością i długim czasem czas trwania GRB211211A. Chociaż odkryliśmy, że ten specyficzny system binarny powoduje powstanie długiego GRB, spodziewamy się również, że inne fuzje binarne, w wyniku których powstają masywne dyski, doprowadzą do podobnego rezultatu. To po prostu kwestia masy dysku po połączeniu.”
Oczywiście „długi” jest w tym scenariuszu względny. GRB dzielą się na dwie klasy. GRB o czasie trwania krótszym niż dwie sekundy są uważane za krótkie. Jeśli GRB trwa dwie sekundy lub dłużej, uważa się, że jest długi. Nawet zdarzenia opisane w tym skrócie są nadal wyjątkowo trudne do modelowania.
„Większa część materiału dysku ostatecznie zostaje skonsumowana przez czarną dziurę, a cały proces trwa zaledwie sekundy” – powiedział Issa. „Na tym polega główne wyzwanie: bardzo trudno jest uchwycić ewolucję tych fuzji za pomocą symulacji na superkomputerach w ciągu kilku sekund”.
Następne w kolejce: Neutrina
Teraz, gdy Gottlieb i Issa pomyślnie i wszechstronnie zamodelowali pełną sekwencję fuzji, z radością mogą kontynuować aktualizację i ulepszanie swoich modeli.
„Moje obecne wysiłki skupiają się na zwiększeniu fizycznej dokładności symulacji” – powiedział Issa. „Wiąże się to z uwzględnieniem chłodzenia neutrin, istotnego elementu, który może znacząco wpłynąć na dynamikę procesu łączenia. Co więcej, włączenie neutrin stanowi krytyczny krok w kierunku dokładniejszej oceny składu jądrowego materiału wyrzuconych w wyniku tych połączeń. Dzięki takiemu podejściu moim celem jest przedstawienie bardziej wszechstronnego i dokładnego obrazu łączenia się gwiazd neutronowych.”