Neues Astrophysikmodell bringt Licht auf zusätzliche Quelle langer Gammastrahlenausbrüche

Modernste Computersimulationen in Kombination mit theoretischen Berechnungen helfen Astronomen, den Ursprung einiger der energiereichsten und geheimnisvollsten Lichtshows im Universum – Gammastrahlenausbrüche oder GRBs – besser zu verstehen. Das neue einheitliche Modell bestätigt, dass einige langlebige GRBs nach kosmischen Verschmelzungen entstehen, die ein junges Schwarzes Loch hervorbringen, das von einer riesigen Scheibe aus Geburtsmaterial umgeben ist.

Bisher gingen Astronomen davon aus, dass Schwarze Löcher, die lange GRBs erzeugen, typischerweise entstehen, wenn massereiche Sterne kollabieren. Das neue Modell zeigt jedoch, dass sie auch entstehen können, wenn zwei dichte Objekte verschmelzen, etwa ein Paar Neutronensterne – die dichten, toten Überreste massereicher Sterne – oder ein Schwarzes Loch und ein Neutronenstern. Die Ergebnisse erklären kürzlich beobachtete lange GRBs, die Astronomen nicht mit kollabierenden Sternen in Verbindung bringen konnten.

Die Ersteller der Simulation stellen ihre Ergebnisse vor Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.

„Unsere Erkenntnisse, die Beobachtungen mit der zugrunde liegenden Physik verbinden, haben viele ungelöste Rätsel auf dem Gebiet der Gammastrahlenausbrüche vereint“, sagt Ore Gottlieb, Hauptautor der neuen Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center for Computational Astrophysics (CCA) des Flatiron Institute ) in New York City. „Zum ersten Mal können wir uns GRB-Beobachtungen ansehen und wissen, was passiert ist, bevor sich das Schwarze Loch gebildet hat.“

GRBs gehören zu den hellsten und heftigsten Ereignissen im Kosmos. Seit ihrer ersten Entdeckung im Jahr 1967 haben GRBs Astronomen verblüfft und verwirrt. Selbst Jahrzehnte später sind die genauen Mechanismen, die die gewaltigen Gammastrahlenausbrüche erzeugen, weiterhin ungewiss. Im Laufe der Jahre haben Astronomen zwei unterschiedliche Populationen von GRBs beobachtet – einige, die weniger als eine Sekunde dauern, und andere, die 10 Sekunden oder länger verweilen.

Die Forscher stellten schließlich fest, dass kurze GRBs von Jets stammen, die nach der Verschmelzung zweier kompakter Objekte gestartet wurden, und dass lange GRBs auftreten können, wenn Jets während des Kollapses massereicher rotierender Sterne gestartet werden. Doch im vergangenen Jahr deuteten zwei ungewöhnlich lange GRB-Beobachtungen darauf hin, dass zusammenbrechende Giganten nicht die einzigen Ursachen für lange GRBs waren.

Gottlieb und seine Kollegen führten hochmoderne Simulationen durch, um zu testen, wie Verschmelzungen massiver kompakter Objekte GRBs auslösen können. Die neuen Simulationen dauerten Monate und wurden teilweise auf einem der Supercomputer des Flatiron Institute durchgeführt. Die neuen Simulationen beginnen, wenn sich die beiden kompakten Objekte in einer engen Umlaufbahn befinden, und folgen den Jets, bis sie weit vom Verschmelzungsort entfernt sind. Dieser Ansatz ermöglicht es den Forschern, weniger Annahmen über die beteiligte Physik zu treffen.

Durch die Kombination der Simulationen mit Einschränkungen aus astronomischen Daten erstellten die Wissenschaftler ein einheitliches Modell für die GRB-Ursprünge.

Die Forscher stellten fest, dass die ungewöhnlichen GRBs nach einer Verschmelzung zweier kompakter Objekte entstehen. Nach der Verschmelzung erzeugen die Objekte ein Schwarzes Loch, das von einer großen Akkretionsscheibe umgeben ist – einem schnell rotierenden Donut aus magnetisch geladenem Restmaterial –, das lange GRBs ausstoßen kann. Diese Informationen aus der Simulation helfen Astronomen nicht nur, die Objekte zu verstehen, die diese GRBs erzeugen, sondern auch, was vor ihnen geschah.

„Wenn wir einen langen GRB sehen, wie er im Jahr 2022 beobachtet wurde, wissen wir jetzt, dass er von einem Schwarzen Loch mit einer massiven Scheibe stammt“, sagt Gottlieb. „Und wenn wir wissen, dass es eine massereiche Scheibe gibt, können wir jetzt das Verhältnis der Massen der beiden Ausgangsobjekte ermitteln, da ihr Massenverhältnis mit den Eigenschaften der Scheibe zusammenhängt. Beispielsweise wird die Verschmelzung von Neutronensternen ungleicher Masse unvermeidlich sein.“ einen Langzeit-GRB erzeugen.

Die Wissenschaftler hoffen, mit dem einheitlichen Modell identifizieren zu können, welche Objekte kurze GRBs erzeugen. Diese Ausbrüche, so das Modell, könnten durch Schwarze Löcher mit kleineren Akkretionsscheiben verursacht werden oder von einem Objekt namens hypermassereichen Neutronenstern stammen, einer instabilen Form des Sterns, der schnell kollabiert und ein Schwarzes Loch bildet, aber nicht vorher es pulsiert kurze GRBs.

Die Wissenschaftler hoffen, dass sie mit mehr Beobachtungen von GRBs ihre Simulation weiter verfeinern können, um alle GRB-Ursprünge zu bestimmen. Obwohl GRB-Sichtungen nach wie vor relativ selten sind, wollen Astronomen noch viel mehr einfangen, wenn das Vera C. Rubin-Observatorium Anfang 2025 mit der Beobachtung beginnt.

„Je mehr Beobachtungen von GRBs bei unterschiedlichen Pulsdauern wir erhalten, desto besser können wir die zentralen Motoren erforschen, die diese extremen Ereignisse antreiben“, sagt Gottlieb.