Падающая звездная пыль и шаткие струи объясняют мигающие гамма-всплески
Группа астрофизиков под руководством Северо-Западного университета разработала первую в истории полную трехмерную симуляцию всей эволюции джета, образованного коллапсирующей звездой, или «коллапсара».
Джет (красный) колеблется внутри коллапсара, прежде чем вырваться в фотосферу. Предоставлено: Оре Готлиб/Северо-Западный университет.
Поскольку эти выбросы генерируют гамма-всплески (GRB) — самые энергичные и яркие события во Вселенной со времен Большого взрыва — моделирование пролило свет на эти необычные, интенсивные вспышки света. Их новые результаты включают в себя объяснение давнего вопроса о том, почему гамма-всплески таинственным образом перемежаются тихими моментами — миганием между мощными выбросами и устрашающе тихой тишиной. Новое моделирование также показывает, что гамма-всплески встречаются даже реже, чем считалось ранее.
Новое исследование будет опубликовано 29 июня в Astrophysical Journal Letters. Это первая полная трехмерная симуляция всей эволюции джета — от его рождения вблизи черной дыры до выброса после выхода из коллапсирующей звезды. Новая модель также является симуляцией крупномасштабной струи с самым высоким разрешением.
Трехмерная визуализация распространения струи и крупный план наклона диска коллапсара, из-за которого струи колеблются. Предоставлено: Оре Готлиб/Северо-Западный университет.
«Эти выбросы — самые мощные события во Вселенной», — сказал Оре Готлиб, руководитель исследования, руководитель исследования Northwestern. «Предыдущие исследования пытались понять, как они работают, но эти исследования были ограничены вычислительной мощностью и должны были включать множество предположений. Мы смогли смоделировать всю эволюцию джета с самого начала — с момента его рождения черной дырой — ничего не предполагая о структуре джета. Мы проследили за джетом от черной дыры до места выброса и обнаружили процессы, которые не учитывались в предыдущих исследованиях».
Готлиб является научным сотрудником Северо-Западного центра междисциплинарных исследований и исследований в астрофизике (CIERA). Он написал статью в соавторстве с членом CIERA Сашей Чеховской, доцентом кафедры физики и астрономии Северо-Западного колледжа искусств и наук им. Вайнберга.
Вырвавшись из коллапсара, струя генерирует яркий гамма-всплеск (GRB). Предоставлено: Оре Готлиб/Северо-Западный университет.
Странное колебание
Самое яркое явление во Вселенной, гамма-всплески возникают, когда ядро массивной звезды коллапсирует под действием собственной гравитации, образуя черную дыру. Когда газ падает во вращающуюся черную дыру, он активизируется, запуская струю в коллапсирующую звезду. Струя пробивает звезду, пока, наконец, не вырвется из нее, разогнавшись до скоростей, близких к скорости света. Вырвавшись из звезды, джет генерирует яркий гамма-всплеск.
«Джет генерирует гамма-всплеск, когда достигает примерно в 30 раз больше размера звезды или в миллион раз больше размера черной дыры», — сказал Готлиб. «Другими словами, если черная дыра имеет размер пляжного мяча, струя должна расшириться на всю Францию, прежде чем она сможет произвести гамма-всплеск».
Из-за огромности этого масштаба предыдущие симуляции не могли смоделировать полную эволюцию рождения джета и последующего путешествия. Используя предположения, все предыдущие исследования показали, что струя распространяется вдоль одной оси и никогда не отклоняется от этой оси.
Но моделирование Готлиба показало совсем другое. Когда звезда коллапсирует в черную дыру, материал этой звезды падает на диск намагниченного газа, вращающийся вокруг черной дыры. Падающий материал заставляет диск наклоняться, что, в свою очередь, наклоняет струю. Пока самолет пытается вернуться на свою первоначальную траекторию, он колеблется внутри коллапсара.
Крупный план диска (выделено оранжевым), наклоняющегося, из-за чего струи (выделены фиолетовым) качаются. Предоставлено: Оре Готлиб/Северо-Западный университет.
Это колебание дает новое объяснение тому, почему гамма-всплески мигают. В спокойные моменты джет не останавливается — его излучение направлено в сторону от Земли, поэтому телескопы просто не могут его наблюдать.
«Выбросы гамма-всплесков всегда нерегулярны», — сказал Готлиб. «Мы видим всплески излучения, а затем период покоя, который длится несколько секунд или более. Вся продолжительность всплеска составляет около одной минуты, поэтому эти периоды покоя составляют незначительную долю от общей продолжительности. Предыдущие модели не Мы можем объяснить, откуда взялись эти спокойные времена. Это колебание, естественно, дает объяснение этому явлению. Мы наблюдаем струю, когда она направлена на нас, часть теории относительности Эйнштейна».
Редкое становится реже
Эти шаткие струи также дают новое представление о частоте и природе гамма-всплесков. Хотя предыдущие исследования показали, что около 1% коллапсаров производят гамма-всплески, Готлиб считает, что на самом деле гамма-всплески встречаются гораздо реже.
Если бы струя была ограничена движением вдоль одной оси, то она покрывала бы только тонкий отрезок неба, что ограничивало вероятность ее наблюдения. Но шаткий характер струи означает, что астрофизики могут наблюдать гамма-всплески в разных направлениях, что увеличивает вероятность их обнаружения. Согласно расчетам Готлиба, гамма-всплески в 10 раз более наблюдаемы, чем считалось ранее, а это означает, что астрофизики пропускают в 10 раз меньше гамма-всплесков, чем считалось ранее.
«Идея состоит в том, что мы наблюдаем гамма-всплески на небе с определенной частотой, и мы хотим узнать об истинной частоте гамма-всплесков во Вселенной», — объяснил Готлиб. «Наблюдаемая и истинная скорости различаются, потому что мы можем видеть только те гамма-всплески, которые указывают на нас. Это означает, что нам нужно что-то предположить об угле, под которым эти струи покрывают небо, чтобы сделать вывод об истинной частоте гамма-всплесков. заключается в том, какую долю гамма-всплесков мы пропускаем. Вобуляция увеличивает количество обнаруживаемых гамма-всплесков, поэтому поправка от наблюдаемой частоты к истинной меньше. Если мы пропускаем меньшее количество гамма-всплесков, то в целом на небе меньше гамма-всплесков».
Если это правда, утверждает Готлиб, то большинство струй либо вообще не запускаются, либо никогда не удается вырваться из коллапсара, чтобы произвести гамма-всплеск. Вместо этого они остаются похороненными внутри.
Смешанная энергия
Новое моделирование также показало, что часть магнитной энергии в струях частично преобразуется в тепловую энергию. Это говорит о том, что джет имеет гибридный состав магнитной и тепловой энергии, которые и производят гамма-всплеск. Важным шагом вперед в понимании механизмов, приводящих в действие гамма-всплески, стало то, что исследователи впервые сделали вывод о составе струи гамма-всплесков во время эмиссии.
«Изучение джетов позволяет нам «видеть», что происходит глубоко внутри звезды, когда она коллапсирует», — сказал Готлиб. «В противном случае трудно узнать, что происходит в схлопнувшейся звезде, потому что свет не может вырваться из недр звезды. Но мы можем узнать из излучения струи — историю струи и информацию, которую она несет от систем, которые их запускают».
Основное преимущество новой симуляции частично заключается в ее вычислительной мощности. Используя код «H-AMR» на суперкомпьютерах Oak Ridge Leadership Computing Facility в Ок-Ридже, штат Теннесси, исследователи разработали новую симуляцию, в которой вместо центральных процессоров (CPU) используются графические процессоры (GPU). Чрезвычайно эффективные при работе с компьютерной графикой и обработкой изображений графические процессоры ускоряют создание изображений на дисплее.
