Letztes Jahr berichteten Forscher der Northwestern University über neue Beobachtungsergebnisse, dass lange Gammastrahlenausbrüche (GRBs) aus der Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem anderen kompakten Objekt (entweder einem anderen Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch) entstehen können – ein Befund, von dem zuvor angenommen wurde unmöglich.
Jetzt bietet ein anderes Team aus dem Nordwesten eine mögliche Erklärung dafür, was den beispiellosen und unglaublich leuchtenden Lichtausbruch verursacht hat. Die Studie „Large-scale evolution of seconds-long relativistic jets from black hole-neutron star mergers“ wurde am 31. August im veröffentlicht Astrophysikalisches Journal.
Nachdem die Astrophysiker die erste numerische Simulation entwickelt hatten, die die Jet-Entwicklung bei der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern über weite Entfernungen verfolgt, entdeckten sie, dass das Schwarze Loch nach der Verschmelzung Materialstrahlen aus dem verschluckten Neutronenstern ausstoßen kann.
Aber die wichtigsten Zutaten sind die Masse des heftigen Gasstrudels (oder der Akkretionsscheibe), der das Schwarze Loch umgibt, und die Stärke des Magnetfelds der Scheibe.
Wenn das Magnetfeld in massiven Scheiben stark ist, stößt das Schwarze Loch einen kurzzeitigen Jet aus, der viel heller ist als alles, was jemals in Beobachtungen beobachtet wurde. Wenn die massive Scheibe jedoch ein schwächeres Magnetfeld aufweist, stößt das Schwarze Loch einen Jet mit der gleichen Leuchtkraft und langen Dauer aus wie der mysteriöse GRB (genannt GRB211211A), der 2021 entdeckt und 2022 gemeldet wurde.
Die neue Entdeckung hilft nicht nur, die Ursprünge langer GRBs zu erklären, sondern gibt auch Einblicke in die Natur und Physik von Schwarzen Löchern, ihren Magnetfeldern und Akkretionsscheiben.
Vollständige Simulation der großräumigen Entwicklung eines Jets aus der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. Bildnachweis: Ore Gottlieb/Northwestern University
„Bisher hat niemand sonst numerische Arbeiten oder Simulationen entwickelt, die einen Jet konsequent von der Verschmelzung kompakter Objekte bis zur Bildung des Jets und seiner großräumigen Entwicklung verfolgen“, sagte Ore Gottlieb von Northwestern, der die Arbeit mitleitete . „Die Motivation für unsere Arbeit war, dies zum ersten Mal zu tun. Und was wir fanden, stimmte zufällig mit den Beobachtungen von GRB211211A überein.“
„Neutronensternverschmelzungen sind faszinierende Multi-Messenger-Phänomene, die sowohl zu Gravitations- als auch zu elektromagnetischen Wellen führen“, sagte Danat Issa von Northwestern, der die Arbeit gemeinsam mit Gottlieb leitete. „Die Simulation dieser Ereignisse stellt jedoch aufgrund der großen räumlichen und zeitlichen Skalenunterschiede sowie der vielfältigen Physik, die über diese Skalen hinweg wirkt, eine Herausforderung dar. Zum ersten Mal ist es uns gelungen, den gesamten Ablauf des Neutronensternverschmelzungsprozesses umfassend zu modellieren.“ .“
Während der Forschung war Gottlieb CIERA Fellow am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA); Jetzt ist er Flatiron Research Fellow am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute. Issa ist Doktorandin in der Abteilung für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten und Mitglied von CIERA. Issa wird von Alexander Tchekhovskoy, Co-Autor des Artikels, einem außerordentlichen Professor für Physik und Astronomie am Weinberg und Mitglied von CIERA, beraten.
Merkwürdige Kilonova
Als Astronomen GRB211211A im Dezember 2021 zum ersten Mal entdeckten, gingen sie zunächst davon aus, dass das 50 Sekunden lange Ereignis durch den Kollaps eines massereichen Sterns verursacht wurde. Doch als sie die späte Emission des langen GRB, das so genannte Nachglühen, untersuchten, entdeckten sie Hinweise auf eine Kilonova, ein seltenes Ereignis, das nur nach der Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem anderen kompakten Objekt auftritt.
Der Befund (veröffentlicht in Natur im Dezember 2022) stellte die seit langem bestehende und akzeptierte Annahme auf den Kopf, dass nur Supernovae lange GRBs erzeugen könnten.
„GRB 211211A hat das Interesse an der Entstehung langlebiger GRBs neu entfacht, die nicht mit massereichen Sternen in Verbindung stehen, sondern wahrscheinlich aus kompakten Doppelsternverschmelzungen stammen“, sagte Gottlieb.
Von der Vorfusion bis zur langen GRB
Um weiter aufzudecken, was bei kompakten Fusionsereignissen passiert, versuchten Gottlieb, Issa und ihre Mitarbeiter, den gesamten Prozess zu simulieren – von vor der Fusion bis zum Ende des GRB-Ereignisses, als die GRB-produzierenden Jets abschalteten. Da es sich um eine unglaublich rechenintensive Leistung handelt, wurde das gesamte Szenario noch nie zuvor modelliert. Gottlieb und Issa haben diese Herausforderung gemeistert, indem sie das Szenario in zwei Simulationen aufgeteilt haben.
Zunächst führten die Forscher eine Simulation der Phase vor dem Zusammenschluss durch. Dann nahmen sie die Ergebnisse der ersten Simulation und fügten sie in die Post-Merger-Simulation ein.
„Da die von den beiden Simulationen verwendete Raumzeit unterschiedlich ist, war diese Neuzuordnung nicht so einfach, wie wir gehofft hatten, aber Danat hat es herausgefunden“, sagte Tchekhovskoy.
„Durch die Verkettung der beiden Simulationen konnten wir die Berechnung wesentlich kostengünstiger gestalten“, sagte Gottlieb. „Die Physik ist in der Phase vor der Fusion sehr kompliziert, weil es zwei Objekte gibt. Nach der Phase vor der Fusion wird es viel einfacher, weil es nur ein Schwarzes Loch gibt.“
In der Simulation verschmolzen die kompakten Objekte zunächst zu einem massereicheren Schwarzen Loch. Die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs zog die Trümmer des inzwischen zerstörten Neutronensterns zu sich heran. Bevor die Trümmer in das Schwarze Loch fielen, wirbelten einige der Trümmer zunächst als Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch. In der untersuchten Konfiguration war die entstehende Scheibe mit einem Zehntel der Masse unserer Sonne besonders massiv. Als die Masse dann von der Scheibe in das Schwarze Loch fiel, trieb sie das Schwarze Loch dazu an, einen Jet auszustoßen, der auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte.
Festplatteneigenschaften sind wichtig
Es kam zu einer Überraschung, als die Forscher die Stärke des Magnetfelds der massiven Scheibe anpassten. Während ein starkes Magnetfeld zu einem kurzen, unglaublich hellen GRB führte, erzeugte ein schwaches Magnetfeld einen Jet, der den Beobachtungen langer GRBs entsprach.
„Je stärker das Magnetfeld, desto kürzer ist seine Lebensdauer“, sagte Gottlieb.
„Schwache Magnetfelder erzeugen schwächere Jets, die das neu gebildete Schwarze Loch über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten kann. Ein Schlüsselelement hierbei ist die massive Scheibe, die zusammen mit schwachen Magnetfeldern einen GRB aufrechterhalten kann, der mit Beobachtungen übereinstimmt und mit der Leuchtkraft vergleichbar und langanhaltend ist.“ Dauer von GRB211211A. Obwohl wir festgestellt haben, dass dieses spezielle Binärsystem zu einem langen GRB führt, gehen wir auch davon aus, dass andere binäre Fusionen, die massive Festplatten produzieren, zu einem ähnlichen Ergebnis führen werden. Es ist einfach eine Frage der Festplattenmasse nach der Fusion.“
Natürlich ist „long“ in diesem Szenario relativ. GRBs werden in zwei Klassen unterteilt. GRBs mit einer Dauer von weniger als zwei Sekunden gelten als kurz. Wenn ein GRB zwei Sekunden oder länger dauert, gilt er als lang. Selbst Ereignisse dieser Art sind immer noch außerordentlich schwierig zu modellieren.
„Ein großer Teil dieses Scheibenmaterials wird letztendlich vom Schwarzen Loch verzehrt, wobei der gesamte Prozess nur wenige Sekunden dauert“, sagte Issa. „Hier liegt die größte Herausforderung: Es ist sehr schwierig, die Entwicklung dieser Fusionen mithilfe von Simulationen auf Supercomputern über einen Zeitraum von mehreren Sekunden zu erfassen.“
Als nächstes: Neutrinos
Nachdem Gottlieb und Issa nun den gesamten Ablauf der Fusion erfolgreich und umfassend modelliert haben, freuen sie sich darauf, ihre Modelle weiter zu aktualisieren und zu verbessern.
„Meine aktuellen Bemühungen zielen darauf ab, die physikalische Genauigkeit der Simulationen zu verbessern“, sagte Issa. „Dazu gehört die Einbeziehung der Neutrinokühlung, einer wichtigen Komponente, die das Potenzial hat, die Dynamik des Fusionsprozesses erheblich zu beeinflussen. Darüber hinaus dient die Einbeziehung von Neutrinos als entscheidender Schritt hin zu einer genaueren Bewertung der Kernzusammensetzung des Materials.“ als Folge dieser Verschmelzungen ausgestoßen. Mit diesem Ansatz ist es mein Ziel, ein umfassenderes und genaueres Bild der Verschmelzungen von Neutronensternen zu liefern.“
Mehr Informationen:
Großräumige Entwicklung sekundenlanger relativistischer Jets aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen, Das Astrophysikalische Journal (2023). An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2306.14947