Fallender Sternenstaub, wackelige Jets erklären blinkende Gammastrahlenausbrüche

Ein Team von Astrophysikern unter der Leitung der Northwestern University hat die allererste vollständige 3D-Simulation einer vollständigen Entwicklung eines Jets entwickelt, der aus einem kollabierenden Stern oder einem „Kollapsar“ besteht.

Da diese Jets Gamma Ray Bursts (GRBs) erzeugen – die energiereichsten und leuchtendsten Ereignisse im Universum seit dem Urknall – haben die Simulationen Licht auf diese eigentümlichen, intensiven Lichtausbrüche geworfen. Ihre neuen Erkenntnisse beinhalten eine Erklärung für die seit langem bestehende Frage, warum GRBs auf mysteriöse Weise von ruhigen Momenten unterbrochen werden – ein Blinken zwischen kraftvollen Emissionen und einer unheimlich ruhigen Stille. Die neue Simulation zeigt auch, dass GRBs noch seltener sind als bisher angenommen.

Die neue Studie wird am 29. Juni veröffentlicht Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe. Es ist die erste vollständige 3D-Simulation der gesamten Entwicklung eines Jets – von seiner Geburt in der Nähe des Schwarzen Lochs bis zu seiner Emission nach dem Entkommen aus dem kollabierenden Stern. Das neue Modell ist auch die bisher höchstaufgelöste Simulation eines Großjets.

„Diese Jets sind die mächtigsten Ereignisse im Universum“, sagte Ore Gottlieb von Northwestern, der die Studie leitete. „Frühere Studien haben versucht zu verstehen, wie sie funktionieren, aber diese Studien waren durch die Rechenleistung begrenzt und mussten viele Annahmen beinhalten. Wir waren in der Lage, die gesamte Entwicklung des Jets von Anfang an zu modellieren – von seiner Geburt durch ein Schwarzes Loch – ohne irgendetwas über die Struktur des Jets anzunehmen. Wir haben den Jet vom Schwarzen Loch bis zur Emissionsstelle verfolgt und Prozesse gefunden, die in früheren Studien übersehen wurden.“

Gottlieb ist ein Rothschild Fellow am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Er hat das Papier zusammen mit CIERA-Mitglied Sasha Tchekhovskoy, einem Assistenzprofessor für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern, verfasst.

Seltsames Wackeln

GRBs, das leuchtendste Phänomen im Universum, entstehen, wenn der Kern eines massereichen Sterns unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenbricht und ein Schwarzes Loch bildet. Wenn Gas in das rotierende Schwarze Loch fällt, wird es mit Energie versorgt und schießt einen Strahl in den kollabierenden Stern. Der Jet schlägt auf den Stern ein, bis er ihm schließlich entkommt und mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Nachdem er sich vom Stern gelöst hat, erzeugt der Jet ein helles GRB.

„Der Jet erzeugt einen GRB, wenn er etwa die 30-fache Größe des Sterns erreicht – oder die millionenfache Größe des Schwarzen Lochs“, sagte Gottlieb. „Mit anderen Worten, wenn das Schwarze Loch die Größe eines Wasserballs hat, muss sich der Jet über die gesamte Größe Frankreichs ausdehnen, bevor er einen GRB produzieren kann.“

Aufgrund der enormen Größe dieser Größenordnung konnten frühere Simulationen nicht die vollständige Entwicklung der Geburt und der anschließenden Reise des Jets modellieren. Unter Annahmen fanden alle früheren Studien heraus, dass sich der Jet entlang einer Achse ausbreitet und niemals von dieser Achse abweicht.

Aber Gottliebs Simulation zeigte etwas ganz anderes. Wenn der Stern in ein Schwarzes Loch kollabiert, fällt Material von diesem Stern auf die Scheibe aus magnetisiertem Gas, die um das Schwarze Loch wirbelt. Das fallende Material bewirkt, dass die Scheibe kippt, was wiederum den Strahl kippt. Während der Jet sich bemüht, sich wieder auf seine ursprüngliche Flugbahn auszurichten, wackelt er im Kollapsar.

Dieses Wackeln liefert eine neue Erklärung dafür, warum GRBs blinken. In den ruhigen Momenten hält der Jet nicht an – seine Emissionsstrahlen strahlen von der Erde weg, sodass Teleskope ihn einfach nicht beobachten können.

„Die Emission von GRBs ist immer unregelmäßig“, sagte Gottlieb. „Wir sehen Emissionsspitzen und dann eine Ruhezeit, die einige Sekunden oder länger dauert. Die Gesamtdauer eines GRB beträgt etwa eine Minute, daher sind diese Ruhezeiten ein nicht zu vernachlässigender Bruchteil der Gesamtdauer. Bei früheren Modellen war dies nicht der Fall kann erklären, woher diese ruhigen Zeiten kamen. Dieses Wackeln gibt natürlich eine Erklärung für dieses Phänomen. Wir beobachten den Strahl, wenn er auf uns zeigt. Aber wenn der Strahl wackelt, um von uns weg zu zeigen, können wir seine Emission nicht sehen. Das ist Teil von Einsteins Relativitätstheorie.“

Selten wird seltener

Diese wackeligen Jets liefern auch neue Einblicke in die Rate und Natur von GRBs. Obwohl frühere Studien schätzten, dass etwa 1 % der Kollapsaren GRBs produzieren, glaubt Gottlieb, dass GRBs tatsächlich viel seltener sind.

Wenn der Jet gezwungen wäre, sich entlang einer Achse zu bewegen, würde er nur einen dünnen Teil des Himmels abdecken – was die Wahrscheinlichkeit, ihn zu beobachten, einschränken würde. Aber die wackelige Natur des Jets bedeutet, dass Astrophysiker GRBs in verschiedenen Ausrichtungen beobachten können, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, sie zu entdecken. Nach Berechnungen von Gottlieb sind GRBs zehnmal besser beobachtbar als bisher angenommen, was bedeutet, dass Astrophysiker zehnmal weniger GRBs vermissen als bisher angenommen.

„Die Idee ist, dass wir GRBs am Himmel in einer bestimmten Rate beobachten und etwas über die wahre Rate von GRBs im Universum erfahren möchten“, erklärte Gottlieb. „Die beobachteten und wahren Raten sind unterschiedlich, weil wir nur die GRBs sehen können, die auf uns zeigen. Das bedeutet, dass wir etwas über den Winkel annehmen müssen, den diese Jets am Himmel abdecken, um auf die wahre Rate der GRBs schließen zu können. Das ist, welcher Anteil an GRBs uns fehlt. Das Wackeln erhöht die Anzahl der nachweisbaren GRBs, sodass die Korrektur von der beobachteten zur wahren Rate kleiner ist. Wenn wir weniger GRBs übersehen, dann gibt es insgesamt weniger GRBs am Himmel.“

Wenn dies zutrifft, postuliert Gottlieb, dann werden die meisten Jets entweder überhaupt nicht gestartet oder es gelingt ihnen nie, aus dem Collapsar zu entkommen, um einen GRB zu produzieren. Stattdessen bleiben sie im Inneren begraben.

Gemischte Energie

Die neuen Simulationen zeigten auch, dass ein Teil der magnetischen Energie in den Jets teilweise in thermische Energie umgewandelt wird. Dies deutet darauf hin, dass der Jet eine hybride Zusammensetzung aus magnetischen und thermischen Energien hat, die den GRB erzeugen. Dies ist ein großer Fortschritt beim Verständnis der Mechanismen, die GRBs antreiben, dies ist das erste Mal, dass Forscher auf die Jet-Zusammensetzung von GRBs zum Zeitpunkt der Emission schließen konnten.

„Durch das Studium von Jets können wir ‚sehen‘, was tief im Inneren des Sterns passiert, wenn er kollabiert“, sagte Gottlieb. „Andernfalls ist es schwierig zu erfahren, was in einem kollabierten Stern passiert, weil Licht nicht aus dem Sterninneren entweichen kann. Aber wir können aus der Jet-Emission lernen – die Geschichte des Jets und die Informationen, die er von den Systemen trägt, die ihn starten.“

Der große Vorteil der neuen Simulation liegt zum Teil in ihrer Rechenleistung. Unter Verwendung des Codes „H-AMR“ auf Supercomputern der Oak Ridge Leadership Computing Facility in Oak Ridge, Tennessee, entwickelten die Forscher die neue Simulation, die grafische Verarbeitungseinheiten (GPUs) anstelle von zentralen Verarbeitungseinheiten (CPUs) verwendet. GPUs sind äußerst effizient bei der Manipulation von Computergrafik und Bildverarbeitung und beschleunigen die Erstellung von Bildern auf einem Display.