Fótons de rajadas de raios gama identificados

Explosões de raios gama são alguns dos eventos mais energéticos de todo o Universo, mas até agora, o mecanismo para essas saídas permaneceu um mistério.

impressão artística do jato relativista quebrando a nossa de uma estrela massiva. O painel close-up mostra como a expansão do jato de raios gama permite que os raios gama (representados por pontos brancos) escapem. Os pontos azuis e amarelos representam prótons e elétrons dentro do jato, respectivamente (NAOJ).

Cientistas do RIKEN Cluster for Pionering Research e colaboradores usaram simulações para mostrar que os fótons emitidos por longas explosões de raios gama - um dos eventos mais energéticos que ocorrem no universo - se originam na fotosfera - a parte visível do " jato relativístico ”emitido por estrelas em explosão.

Uma ilustração mostrando o tipo mais comum de explosão de raios gama que se pensa ocorrer quando uma estrela massiva entra em colapso, forma um buraco negro e explode jatos de partículas para fora quase à velocidade da luz. (NASA / GSFC)

As explosões de raios gama são o fenômeno eletromagnético mais poderoso observado no universo, liberando tanta energia em apenas um segundo ou mais que o sol liberará durante toda a sua vida. Embora tenham sido descobertos em 1967, o mecanismo por trás dessa enorme liberação de energia permaneceu misterioso. Décadas de estudos finalmente revelaram que explosões longas - um dos tipos de explosões - se originam de jatos relativísticos de matéria ejetados durante a morte de estrelas massivas. No entanto, exatamente como os raios gama são produzidos a partir dos jatos ainda está escondido em mistério hoje.

A pesquisa atual, publicada na Nature Communications, começou com uma descoberta chamada relação Yonetoku - a relação entre o pico de energia espectral e o pico de luminosidade dos GRBs é a correlação mais estreita encontrada até agora nas propriedades da emissão de GRB - feita por um de seus autores. . Assim, fornece o melhor diagnóstico até agora para explicar o mecanismo de emissão e o teste mais estrito para qualquer modelo de rajadas de raios gama.

Aliás, o relacionamento também significava que longas rajadas de raios gama poderiam ser usadas como uma “vela padrão” para medir a distância, permitindo-nos olhar mais além do que as supernovas tipo 1A - comumente usadas, apesar de serem muito mais escuras que as rajadas. Isso tornaria possível obter insights sobre a história do universo e sobre mistérios como matéria escura e energia escura.

Por apenas um momento, uma supernova tipo 1a ofusca uma galáxia inteira. Essa luminosidade faz deles uma perfeita 'vela padrão' - um objeto que pode ser usado para medir distâncias astronômicas (NASA / ESA).

Usando simulações de computador realizadas em vários supercomputadores, incluindo Aterui, do Observatório Astronômico Nacional do Japão, Hokusai, da RIKEN, e Cray xc40, do Instituto Yukawa de Física Teórica, o grupo se concentrou no chamado modelo de "emissão fotográfica" - um dos principais modelos para o mecanismo de emissão de GRBs.

Este modelo postula que os fótons visíveis na Terra são emitidos a partir da fotosfera do jato relativístico. À medida que o jato se expande, fica mais fácil escapar dos fótons, pois há menos objetos disponíveis para dispersar a luz. Assim, a “densidade crítica” - o local onde se torna possível a fuga dos fótons - se move para baixo através do jato, para um material que estava originalmente em densidades cada vez mais altas.

Para testar a validade do modelo, a equipe decidiu testá-lo de uma maneira que levasse em conta a dinâmica global dos jatos relativísticos e da transferência de radiação. Usando uma combinação de simulações hidrodinâmicas relativísticas tridimensionais e cálculos de transferência de radiação para avaliar as emissões fotosféricas de um jato relativístico rompendo um envelope estelar maciço, eles foram capazes de determinar que pelo menos no caso de GRBs longos - o tipo associado a tais estrelas maciças em colapso - o modelo funcionou.

A comparação dos resultados de Ito com a relação Yonetoku observada (Ito)

Suas simulações também revelaram que a relação Yonetoku poderia ser reproduzida como uma conseqüência natural das interações jato-estelares.

Hirotaka Ito, do Cluster for Pioneerering Research, diz; "Isso sugere fortemente que a emissão fotográfica é o mecanismo de emissão de GRBs".

Ele continua: “Embora tenhamos esclarecido a origem dos fótons, ainda existem mistérios a respeito de como os próprios jatos relativísticos são gerados pelas estrelas em colapso.

"Nossos cálculos devem fornecer informações valiosas para analisar o mecanismo fundamental por trás da geração desses eventos tremendamente poderosos".

Fontes

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

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