W 1967 r. Naukowcy z NASA zauważyli coś, czego nigdy wcześniej nie widzieli, pochodzącego z kosmosu. W tak zwanym „incydencie z Vela” wiele satelitów zarejestrowało rozbłysk gamma (GRB), który był tak jasny, że na chwilę przyćmił całą galaktykę. Biorąc pod uwagę ich niesamowitą moc i krótkotrwałą naturę, astronomowie chętnie ustalili, w jaki sposób i dlaczego wybuchy te mają miejsce.
Dziesięciolecia obserwacji doprowadziły do wniosku, że te eksplozje mają miejsce, gdy masywna gwiazda przechodzi w supernową, ale astronomowie wciąż nie byli pewni, dlaczego tak się stało w niektórych przypadkach, a nie w innych. Dzięki nowym badaniom zespołu z University of Warwick wydaje się, że kluczem do wytworzenia GRB są układy podwójnych gwiazd - tj. Gwiazda potrzebuje towarzysza, aby wytworzyć najjaśniejszą eksplozję we Wszechświecie.
Zespołowi badawczemu odpowiedzialnemu za odkrycie kierował doktor Ashley Chrimes. studentka Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warwick. Na potrzeby swoich badań zespół zajął się centralną tajemnicą dotyczącą długotrwałych GRB, czyli sposobu, w jaki gwiazdy mogą być obracane wystarczająco szybko, aby wygenerować zaobserwowane eksplozje.
Mówiąc w skrócie, GRB występują, gdy masywne gwiazdy (około dziesięciokrotnie większe od naszego Słońca) przechodzą w supernową i zapadają się w gwiazdę neutronową lub czarną dziurę. W tym procesie zewnętrzne warstwy gwiazdy są zdmuchiwane, a wyrzucany materiał spłaszcza się w dysk wokół nowo utworzonej pozostałości, aby zachować moment pędu. Gdy materiał ten wpada do środka, pęd ten uruchamia go w postaci dżetów emanujących z biegunów.
Są one znane jako „strumienie relatywistyczne”, ponieważ materiał w nich jest przyspieszany w celu zamknięcia prędkości światła. Chociaż GRB są najjaśniejszymi wydarzeniami we Wszechświecie, można je zaobserwować z Ziemi tylko wtedy, gdy jedna z ich osi polarnych jest skierowana bezpośrednio na nas - co oznacza, że astronomowie mogą zobaczyć tylko około 10-20% z nich. Są one również bardzo krótkie, gdy zachodzą zjawiska astronomiczne, trwające od ułamka sekundy do kilku minut.
Ponadto gwiazda musi obracać się niezwykle szybko, aby wystrzelić materiał wzdłuż swoich biegunowych osi z prędkością bliską prędkości światła. Stanowi to zagadkę dla astronomów, ponieważ gwiazdy zwykle tracą spin, który nabywają bardzo szybko. Aby rozwiązać te nierozwiązane pytania, zespół polegał na kolekcji modeli ewolucji gwiezdnej w celu zbadania zachowania masywnych gwiazd podczas ich zapadania się.
Modele te zostały opracowane przez dr Jana J. Eldridge'a z University of Auckland w Nowej Zelandii, z pomocą naukowców z University of Warwick. W połączeniu z techniką znaną jako binarna synteza populacji naukowcy przeprowadzili symulację populacji tysięcy układów gwiezdnych, aby zidentyfikować mechanizm, za pomocą którego mogą wystąpić rzadkie eksplozje wytwarzające GRB.
Na podstawie tego naukowcy byli w stanie ograniczyć czynniki, które powodują powstawanie relatywistycznych dżetów z niektórych zapadających się gwiazd. Odkryli, że skutki przypływu, podobne do tego, jakie występują między Ziemią a Księżycem, były jedynym prawdopodobnym wyjaśnieniem. Innymi słowy, długotrwałe GRB występują w układach podwójnych gwiazd, w których gwiazdy są zablokowane w swoim spinie, tworząc potężny efekt pływowy, który przyspiesza ich obrót.
Jak wyjaśnił Chrimes w ostatniej informacji prasowej Warwick:
„Przewidujemy, jakie gwiazdy lub układy wytwarzają rozbłyski gamma, które są największymi eksplozjami we Wszechświecie. Do tej pory nie było jasne, jakiego rodzaju gwiazd lub układów podwójnych potrzebujesz, aby uzyskać taki wynik.
“Pytanie brzmi, w jaki sposób gwiazda zaczyna wirować lub utrzymuje swój obrót w czasie. Odkryliśmy, że wpływ przypływów gwiazdy na jej partnera powstrzymuje ich przed spowolnieniem, aw niektórych przypadkach powoduje ich rozkręcenie. Kradną energię obrotową od swojego towarzysza, w wyniku czego odpływają dalej.
“Ustaliliśmy, że większość gwiazd wiruje szybko właśnie dlatego, że są w układzie podwójnym ”.
Jak zauważyła dr Elizabeth Stanway - badaczka z Wydziału Fizyki University of Warwick i współautorka badań - ewolucja binarna nie jest niczym nowym dla astronomów. Jednak rodzaje obliczeń przeprowadzonych przez Chrimes i jej współpracowników nigdy wcześniej nie były wykonywane z powodu skomplikowanych obliczeń. W związku z tym niniejsze badanie jako pierwsze uwzględnia mechanizmy fizyczne działające w ramach modeli binarnych.
„Istniał również duży dylemat dotyczący metaliczności gwiazd wytwarzających rozbłyski gamma” - powiedziała. „Jako astronomowie mierzymy skład gwiazd, a dominujący szlak rozbłysków gamma wymaga bardzo niewielu atomów żelaza lub innych ciężkich pierwiastków w atmosferze gwiezdnej. Pojawiło się zagadka, dlaczego widzimy różne kompozycje w gwiazdach wytwarzających rozbłyski gamma, a ten model oferuje wyjaśnienie ”.
Dzięki najnowszym badaniom i wynikowemu modelowi ewolucji binarnej astronomowie będą mogli przewidzieć, jak powinny wyglądać gwiazdy wytwarzające GRB pod względem temperatury, jasności i właściwości ich gwiazdy towarzyszącej. Patrząc w przyszłość, Chimes i jej koledzy mają nadzieję zbadać i modelować zjawiska przejściowe, które pozostają tajemnicą dla astronomów.
Należą do nich szybkie wybuchy radiowe (FRB) i ich przyczyny (zwłaszcza powtarzająca się odmiana) lub nawet rzadsze zdarzenia, takie jak transformacja gwiazd w czarne dziury. Badanie opisujące ich odkrycie pojawiło się w styczniowym numerze Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society i został sfinansowany przez Science and Technology Facilities Council w Wielkiej Brytanii Research and Innovation.
