Исследователи из RIKEN Cluster for Pioneering Research с коллегами использовали моделирование, чтобы показать, что фотоны, испускаемые длинными гамма-всплесками, одним из самых энергичных явлений во вселенной, происходят из фотосферы - видимой части «релятивистской струи», испускаемой взрывающимися звездами.
Гамма-всплески являются одним из самых сильных электромагнитных явлений, наблюдаемых во вселенной, в течение которых за считанные секунды выделяется энергия, излучаемая солнцем в течение всей его жизни. Хотя они были обнаружены ещё в 1967 году, механизм, стоящий за этими мощными вспышками энергии, долгое время оставался загадкой. Десятилетия исследований наконец показали, что один из типов всплесков, так называемая длинная вспышка, происходит от релятивистской струи вещества, испускаемой во время смерти массивных звезд. Тем не менее, как именно гамма-лучи создаются в струе до сих пор неизвестно.
Текущее исследование, описанное в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, происходит от открытия так называемой Йонетоку, который был сделан одним из авторов статьи. Соотношение между спектральным пиком энергии и пиком яркости гамма-всплеска (GRB) является наиболее точной корреляцией, обнаруженной до сих пор в свойствах эмиссии GRB. Таким образом, это лучший диагностический элемент для поиска объяснения механизма излучения и наиболее строгого теста для каждой модели гамма-всплеска. Между прочим, это соединение также означает, что длинные вспышки гамма-излучения можно использовать в качестве «стандартных свечей» для измерения расстояний, что позволяет астрономам заглянуть в прошлое дальше, чем сверхновые типа Ia, обычно используемые сегодня.
Используя компьютерное моделирование, выполненное на нескольких суперкомпьютерах, в том числе Aterui из Национальной астрономической обсерватории Японии в Хкусай и Cray xc40 из Института теоретической физики Юкавы, группа сосредоточилась на так называемой модели «фотосферного излучения», одной из ведущих моделей механизма излучения GRB , Эта модель постулирует, что видимые на Земле фотоны испускаются в фотосфере релятивистской струи. По мере расширения струи фотонам легче выходить из нее, потому что на пути меньше объектов, способных рассеивать излучение. Поэтому «критическая плотность» того места, где становится возможным выход фотонов - движется вдоль струи к веществу, которое раньше было плотнее.
Чтобы проверить достоверность модели, исследователи решили проверить ее таким образом, чтобы учесть глобальную динамику релятивистских струй и переноса излучения. Используя комбинацию трехмерного релятивистского гидродинамического моделирования и расчетов переноса излучения для оценки эмиссии релятивистской фотосферной струи, проникающей через оболочку массивной звезды, исследователи смогли определить, что, по крайней мере, в случае длинных гамма-всплесков, типа, связанного с коллапсирующими массивными звездами, - модель работает. Их моделирование показало, что соединение Йонетоку можно воссоздать как естественный результат взаимодействия струи со звездой. «Для нас, - говорит Хиротака Ито, - это явный признак того, что фотосфера является механизмом эмиссии GRB».
«Хотя мы установили происхождение фотонов, у нас все еще есть много секретов о том, как релятивистские джеты создаются в коллапсирующих звездах. Наши расчеты должны предоставить ценную информацию о фундаментальном механизме образования этих чрезвычайно мощных струй».
Источник: Японский институт физико-химических исследований (RIKEN)