Es ist bekannt, dass Gammastrahlenausbrüche (GRBs) die relativistischsten Jets haben, mit anfänglichen Lorentz-Faktoren in der Größenordnung von einigen Hundert. Viele GRBs zeigen ein frühes Plateau der Röntgenlichtkurve, was theoretisch nicht erwartet wurde und daher die Community viele Jahre lang verwirrte.
Materieausflüsse in Form von Jets werden in astronomischen Systemen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten beobachtet, die von schnell bis langsam reichen. Jets in Form von Materieausflüssen werden in astronomischen Systemen häufig mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten beobachtet, die von schnell bis langsam reichen. Die schnellsten Jets sind stark relativistisch und können Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Obwohl es sich um ein weithin beobachtetes Phänomen handelt, bleiben der Ursprung und viele Eigenschaften dieser Jets ein Rätsel.
Die bimodale Verteilung der Jet-Geschwindigkeiten, bei der einige unglaublich schnell und andere langsam sind, und ein merkliches Fehlen von Geschwindigkeiten dazwischen, haben Experten lange Zeit verwirrt. Forscher der Bar-Ilan-Universität haben die Daten jedoch erneut überprüft und scheinen dieses verwirrende Rätsel endlich gelöst zu haben.
In vielen verschiedenen galaktischen und extragalaktischen Systemen wird die Emission von Materie üblicherweise in Form von Jets beobachtet. Die Geschwindigkeit, mit der dieses Spektakel abläuft, ist sehr unterschiedlich. Neben relativ langsamen Jets, die mit Neutronensternen oder Doppelsternsystemen assoziiert sind, werden sehr schnelle, relativistische Jets mit Geschwindigkeiten sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit beobachtet. Die schnellsten bekannten Jets sind mit einem Phänomen verbunden, das als „Gammastrahlenausbrüche“ bekannt ist.
Dieses Phänomen ist durch einen anfänglichen Blitz von Gammastrahlen gekennzeichnet, der einige Sekunden andauert und in dem eine starke Emission von Gammastrahlung sichtbar ist. Es folgt dann ein „Nachglühen“, das eine viel längere Zeit von Stunden, Tagen und sogar Monaten dauert. Während dieser Epoche verblasst die Emission anschließend und wird zu sehr späten Zeiten als niedrigere Wellenlängen, Röntgenstrahlen, ultraviolette, optische, infrarote und Radiofrequenzen beobachtet.
Neben der Frage, warum Jets von diesen Objekten so schnell sind, gibt es ein scheinbar unabhängiges Rätsel darüber, was während der Zwischenzeit von Hunderten bis Tausenden von Sekunden passiert, in der die Emission entweder nachlässt oder konstant bleibt. In einigen Fällen nimmt die Röntgenemission nach einigen zehn Sekunden erheblich ab, wie es bei einem relativistischen Ausbruch zu erwarten wäre, der mit Materie und Strahlung kollidiert, die im Raum zwischen den Sternsystemen einer Galaxie vorhanden sind.
In etwa 60 % der beobachteten Fälle lässt die sichtbare Emission jedoch nicht nach, sondern bleibt konstant. Diese Beobachtung hat die Forscher lange verwirrt, und seit der Entdeckung dieses Phänomens vor etwa 18 Jahren wurde keine überzeugende Erklärung dafür gefunden.
Forscher der Fakultät für Physik der Bar-Ilan-Universität haben nun bewiesen, dass diese sichtbare, fortwährende Emission eine natürliche Folge der Strahlgeschwindigkeit ist, die deutlich niedriger ist als allgemein angenommen und die Lücke zwischen Geschwindigkeiten füllt, die aus verschiedenen Quellen gemessen wurden. Mit anderen Worten, eine niedrigere anfängliche Strahlgeschwindigkeit kann das Fehlen von Zerfall und eine sichtbarere und fortwährende Emission erklären.
Die Forscher zeigten, dass frühere Ergebnisse, aus denen hohe Geschwindigkeiten in diesen Objekten abgeleitet wurden, in diesen Fällen nicht gültig sind. Damit veränderten sie ein Paradigma und bewiesen, dass Jets in der Natur bei allen Geschwindigkeiten entstehen. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlichtNaturkommunikationund vom Herausgeber der Zeitschrift als einer der ausgewähltDie 50 wichtigsten Artikel, die kürzlich veröffentlicht wurden.
Eine der wichtigsten offenen Fragen bei der Untersuchung von Gammastrahlenausbrüchen ist, warum in einem erheblichen Prozentsatz der Fälle Röntgenstrahlen, die bis zu mehreren Tagen sichtbar sind, lange Zeit nicht verblassen. Um diese Frage zu beantworten, begannen die Forscher mit einer sorgfältigen Kartierung der Daten, die zahlreich, aber verstreut und „verrauscht“ sind.
Nach gründlicher Literaturrecherche erstellten sie eine Stichprobe hochwertiger Daten. Nach einer Untersuchung von Erklärungen für das Phänomen in der bestehenden Literatur stellten sie fest, dass ausnahmslos alle bestehenden Modelle zusätzliche Annahmen treffen, die durch die Daten nicht gestützt werden. Bedeutsamer ist, dass keines der Modelle eine überzeugende Erklärung für die sauberen Daten bot. Daher kehrten die Forscher zum Grundmodell zurück und versuchten zu verstehen, welche der Grundannahmen nicht gültig sind.
Sie entdeckten, dass die Änderung nur einer Annahme über die Anfangsgeschwindigkeit der Jets ausreichte, um die Daten zu erklären. Die Forscher fuhren fort und untersuchten die Daten, die andere Astrophysiker zu dem Schluss führten, dass die Jets hochgradig relativistisch sein müssen (d. h. sie fliegen sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit=extrem schnell), und entdeckten zu ihrer Überraschung und Freude, dass nichts davon vorhandene Argumente waren in den von ihnen untersuchten Fällen gültig. Von dort kamen sie schnell zu dem Schluss, dass sie höchstwahrscheinlich in die richtige Richtung gingen.
Prof. Asaf Pe’er, der den theoretischen Teil dieser Forschung leitete, beschreibt sich selbst als Theoretiker, der gerne mit Daten arbeitet.
„Astrophysikalische Systeme sind im Allgemeinen durch große Komplexität gekennzeichnet, und oft können theoretische Modelle, die von Natur aus einfacher sind, wichtige Punkte übersehen“, erklärt er. „In vielen Fällen zeigt eine sorgfältige Prüfung der Daten, wie wir sie hier durchgeführt haben, dass vorhandene Ideen einfach nicht funktionieren. Das hat uns dazu gebracht, auf neue Ideen zu kommen. Manchmal reicht die einfachste, am wenigsten komplexe Idee.“
Die Partner von Prof. Pe’er in dieser Forschung sind die Erstautorin der Studie, Dr. Hüsne Déréli-Begue, von der Bar-Ilan-Forschungsgruppe, und Prof. Felix Ryde, von der KTH Royal Institute of Technology in Stockholm. Während sich Pe’er auf die Theorie konzentrierte, konzentrierten sich seine Mitarbeiter auf die Analyse der Daten, die die von ihm vorgeschlagene Theorie stimulierten und unterstützten.
„Wir brauchten eine Weile, um das Verständnis zu entwickeln, und als mir klar wurde, dass insgesamt ein Parameter geändert werden musste, funktionierte alles wie ein Puzzle“, sagt Prof. Pe’er. „So sehr, dass mir ab einem gewissen Punkt jedes Mal, wenn wir ein neues potenzielles Problem ansprachen, klar war, dass die Daten zu unseren Gunsten ausfallen würden, und das waren sie auch.“
Astrophysikalische Forschung ist ihrem Wesen nach Grundlagenforschung. Wenn die Forscher tatsächlich Recht haben, haben die Ergebnisse weitreichende Implikationen, die zu einem Paradigmenwechsel auf diesem Gebiet sowie zum Verständnis der physikalischen Prozesse führen können, die Jets erzeugen. Es ist wichtig anzumerken, dass die Ursprünge des Phänomens noch nicht vollständig bekannt sind, aber es hängt eindeutig mit dem Kollaps eines Sterns (oder eines Sternpaars) in einen zusammen
” data-gt-translate-attributes=”[{[{“Attribut”:”data-cmtooltip”, “Format”:”html”}]”> Schwarzes Loch. Die Forschungsergebnisse sind sehr wichtig für das Verständnis dieser Mechanismen sowie der Art von Sternen, die ihr Leben auf eine Weise beenden, die starke Gammastrahlung erzeugt.
„Wissenschaftliche Forschung ist faszinierend. Ständig werden neue Ideen geboren und getestet. Da die Daten oft nicht schlüssig sind, veröffentlichen die Leute oft ihre Ideen und ziehen weiter“, sagt Prof. Pe’er. „Hier war ein einzigartiger Fall, bei dem ich nach Prüfung vieler Ideen plötzlich erkannte, dass die Erklärung sehr einfach sein könnte. Nachdem ich die Erklärung vorgeschlagen hatte, überprüften wir sie immer wieder anhand der vorhandenen Daten, und sie bestand Test für Test. Daher ist die einfachste Erklärung manchmal auch die erfolgreichste.“
Referenz: „Eine Windumgebung und Lorentz-Faktoren von zehn erklären das Röntgenplateau von Gammastrahlenausbrüchen“ von Hüsne Dereli-Bégué, Asaf Pe’er, Felix Ryde, Samantha R. Oates, Bing Zhang und Maria G. Dainotti, 24. September 2022, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-022-32881-1
