Fotones de explosiones de rayos gamma localizados

Las explosiones de rayos gamma son algunos de los eventos más enérgicos en todo el Universo, sin embargo, hasta ahora, el mecanismo para estas salidas ha sido un misterio.

Impresión artística del chorro relativista que rompe nuestra estrella masiva. El panel de primer plano muestra cómo la expansión del chorro de rayos gamma permite escapar a los rayos gamma (representados por puntos blancos). Los puntos azul y amarillo representan protones y electrones dentro del chorro, respectivamente (NAOJ).

Los científicos del RIKEN Cluster for Pioneering Research y sus colaboradores han utilizado simulaciones para mostrar que los fotones emitidos por los estallidos de rayos gamma largos, uno de los eventos más enérgicos que tienen lugar en el universo, se originan en la fotosfera, la porción visible de la " chorro relativista "que es emitido por estrellas en explosión.

Una ilustración que muestra el tipo más común de explosión de rayos gamma que se cree que ocurre cuando una estrella masiva colapsa, forma un agujero negro y lanza chorros de partículas hacia afuera a casi la velocidad de la luz. (NASA / GSFC)

Los estallidos de rayos gamma son el fenómeno electromagnético más poderoso observado en el universo, liberando tanta energía en solo un segundo como el sol se liberará durante toda su vida. Aunque fueron descubiertos en 1967, el mecanismo detrás de esta enorme liberación de energía durante mucho tiempo permaneció misterioso. Décadas de estudios finalmente revelaron que las explosiones largas, uno de los tipos de explosiones, se originan en chorros de materia relativistas expulsados ​​durante la muerte de estrellas masivas. Sin embargo, la forma exacta en que se producen los rayos gamma a partir de los chorros todavía está velada en misterio hoy.

La investigación actual, publicada en Nature Communications, comenzó a partir de un descubrimiento llamado la relación de Yonetoku: la relación entre la energía pico espectral y la luminosidad máxima de los GRB es la correlación más estrecha encontrada hasta ahora en las propiedades de emisión de GRB, realizada por uno de sus autores. . Por lo tanto, proporciona el mejor diagnóstico hasta ahora para explicar el mecanismo de emisión, y la prueba más estricta para cualquier modelo de ráfagas de rayos gamma.

Por cierto, la relación también significó que las ráfagas largas de rayos gamma podrían usarse como una "vela estándar" para medir la distancia, lo que nos permite mirar más lejos en el pasado que las supernovas tipo 1A, comúnmente utilizadas, a pesar de ser mucho más tenues que las explosiones. Esto permitiría obtener información sobre la historia del universo y sobre misterios como la materia oscura y la energía oscura.

Por un momento, una supernova de tipo 1a eclipsa a toda una galaxia. Esta luminosidad los convierte en una 'vela estándar' perfecta, un objeto que se puede utilizar para medir distancias astronómicas (NASA / ESA).

Utilizando simulaciones por computadora realizadas en varias supercomputadoras, incluidas Aterui del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Hokusai de RIKEN y Cray xc40 del Instituto Yukawa de Física Teórica, el grupo se centró en el llamado modelo de "emisión fotosférica", uno de los modelos líderes para el mecanismo de emisión de GRBs.

Este modelo postula que los fotones visibles en la tierra son emitidos desde la fotosfera del chorro relativista. A medida que el chorro se expande, se hace más fácil para los fotones escapar de él, ya que hay menos objetos disponibles para dispersar la luz. Por lo tanto, la "densidad crítica", el lugar donde es posible que escapen los fotones, se mueve hacia abajo a través del chorro, hacia material que originalmente estaba en densidades cada vez más altas.

Para probar la validez del modelo, el equipo se propuso probarlo de una manera que tuviera en cuenta la dinámica global de los chorros relativistas y la transferencia de radiación. Mediante el uso de una combinación de simulaciones hidrodinámicas relativistas tridimensionales y cálculos de transferencia de radiación para evaluar las emisiones fotosféricas de un chorro relativista saliendo de la envoltura estelar masiva, pudieron determinar que, al menos en el caso de GRB largos, el tipo asociado con tales colapso de estrellas masivas: el modelo funcionó.

La comparación de los resultados de Ito con la relación observada de Yonetoku (Ito)

Sus simulaciones también revelaron que la relación Yonetoku podría reproducirse como una consecuencia natural de las interacciones jet-estelares.

Hirotaka Ito del Cluster for Pioneering Research, dice; "Esto sugiere fuertemente que la emisión fotosférica es el mecanismo de emisión de GRB".

Él continúa: “Si bien hemos aclarado el origen de los fotones, todavía hay misterios sobre cómo los chorros relativistas son generados por las estrellas que se colapsan.

"Nuestros cálculos deberían proporcionar información valiosa para analizar el mecanismo fundamental detrás de la generación de estos eventos tremendamente poderosos".

Fuentes

Investigación original: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09281-z

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