1967 bemerkten NASA-Wissenschaftler etwas, das sie noch nie zuvor aus dem Weltraum gesehen hatten. Bei dem sogenannten „Vela-Vorfall“ registrierten mehrere Satelliten einen Gammastrahlen-Burst (GRB), der so hell war, dass er die gesamte Galaxie kurz überstrahlte. Angesichts ihrer unglaublichen Kraft und der kurzlebigen Natur waren Astronomen bestrebt zu bestimmen, wie und warum diese Ausbrüche stattfinden.
Jahrzehntelange Beobachtungen haben zu dem Schluss geführt, dass diese Explosionen auftreten, wenn ein massereicher Stern in die Supernova geht, aber die Astronomen waren sich immer noch nicht sicher, warum dies in einigen Fällen und nicht in anderen Fällen geschah. Dank neuer Forschungen eines Teams der University of Warwick scheint der Schlüssel zur Herstellung von GRBs in binären Sternensystemen zu liegen - d. H. Ein Stern benötigt einen Begleiter, um die hellste Explosion im Universum zu erzeugen.
Das für die Entdeckung verantwortliche Forschungsteam wurde von Ashley Chrimes geleitet - einem Ph.D. Student an der Fakultät für Physik der Universität Warwick. Für ihre Studie ging das Team auf das zentrale Rätsel um GRBs mit langer Dauer ein. Auf diese Weise können Sterne schnell genug gedreht werden, um die Art der beobachteten Explosionen zu erzeugen.
Kurz gesagt, GRBs treten auf, wenn massive Sterne (etwa zehnmal so groß wie unsere Sonne) in die Supernova übergehen und in einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch fallen. Dabei werden die äußeren Schichten des Sterns abgeblasen und das ausgestoßene Material flacht zu einer Scheibe um den neu gebildeten Rest ab, um den Drehimpuls zu erhalten. Wenn dieses Material nach innen fällt, wird es durch diesen Impuls in Form von von den Polen ausgehenden Strahlen abgefeuert.
Diese werden als "relativistische Jets" bezeichnet, da das Material in ihnen beschleunigt wird, um die Lichtgeschwindigkeit zu verringern. Während GRBs die hellsten Ereignisse im Universum sind, können sie nur von der Erde aus beobachtet werden, wenn eine ihrer Polarachsen direkt auf uns gerichtet ist - was bedeutet, dass Astronomen nur etwa 10 bis 20% von ihnen sehen können. Sie sind auch sehr kurz, wenn es um astronomische Phänomene geht, die zwischen einem Bruchteil einer Sekunde und mehreren Minuten dauern.
Außerdem muss sich ein Stern extrem schnell drehen, um Material entlang seiner Polarachsen nahe der Lichtgeschwindigkeit zu starten. Dies ist ein Rätsel für Astronomen, da Sterne normalerweise jeden Spin verlieren, den sie sehr schnell erwerben. Um diese ungelösten Fragen zu beantworten, stützte sich das Team auf eine Sammlung von Sternentwicklungsmodellen, um das Verhalten massereicher Sterne beim Zusammenbruch zu untersuchen.
Diese Modelle wurden von Dr. Jan J. Eldridge von der University of Auckland, Neuseeland, mit Unterstützung von Forschern der University of Warwick erstellt. In Kombination mit einer als binäre Populationssynthese bekannten Technik simulierten die Wissenschaftler eine Population von Tausenden von Sternensystemen, um den Mechanismus zu identifizieren, durch den die seltenen Explosionen, die GRBs produzieren, auftreten können.
Auf diese Weise konnten die Forscher die Faktoren einschränken, die dazu führen, dass sich aus einigen kollabierenden Sternen relativistische Jets bilden. Was sie fanden, war, dass Gezeiteneffekte, ähnlich wie zwischen der Erde und dem Mond, die einzig wahrscheinliche Erklärung waren. Mit anderen Worten, lang anhaltende GRBs treten in binären Sternensystemen auf, in denen Sterne in ihrem Spin miteinander verbunden sind, wodurch ein starker Gezeiteneffekt erzeugt wird, der ihre Rotation beschleunigt.
Wie Chrimes kürzlich in einer Pressemitteilung von Warwick erklärte:
„Wir sagen voraus, welche Art von Sternen oder Systemen Gammastrahlenausbrüche erzeugen, die die größten Explosionen im Universum darstellen. Bisher war unklar, welche Art von Sternen oder binären Systemen Sie benötigen, um dieses Ergebnis zu erzielen.
“Die Frage war, wie sich ein Stern zu drehen beginnt oder seinen Spin im Laufe der Zeit beibehält. Wir haben festgestellt, dass die Auswirkungen der Gezeiten eines Sterns auf seinen Partner ihn daran hindern, langsamer zu werden, und in einigen Fällen sie aufwirbeln. Sie stehlen ihrem Begleiter Rotationsenergie, was zur Folge hat, dass sie dann weiter wegdriften.
“Wir haben festgestellt, dass sich die meisten Sterne schnell drehen, gerade weil sie sich in einem binären System befinden. "
Wie Dr. Elizabeth Stanway - eine Forscherin am Institut für Physik der Universität Warwick und Mitautorin der Studie - betonte, ist die binäre Evolution für Astronomen kaum neu. Die von Chrimes und ihren Kollegen durchgeführten Berechnungen wurden jedoch aufgrund der komplizierten Berechnungen noch nie durchgeführt. Daher ist diese Studie die erste, die die physikalischen Mechanismen untersucht, die in binären Modellen wirken.
"Es gab auch ein großes Dilemma hinsichtlich der Metallizität von Sternen, die Gammastrahlenausbrüche erzeugen", sagte sie. „Als Astronomen messen wir die Zusammensetzung von Sternen und der dominante Weg für Gammastrahlenausbrüche erfordert nur sehr wenige Eisenatome oder andere schwere Elemente in der Sternatmosphäre. Es gab ein Rätsel, warum wir in den Sternen eine Vielzahl von Kompositionen sehen, die Gammastrahlenausbrüche erzeugen, und dieses Modell bietet eine Erklärung. “
Dank dieser neuesten Studie und des daraus resultierenden Modells zur binären Evolution können Astronomen vorhersagen, wie GRB-produzierende Sterne in Bezug auf Temperatur, Leuchtkraft und Eigenschaften ihres Begleitsterns aussehen sollten. Mit Blick auf die Zukunft hoffen Chimes und ihre Kollegen, vorübergehende Phänomene zu erforschen und zu modellieren, die für Astronomen ein Rätsel bleiben.
Dazu gehören Fast Radio Bursts (FRBs) und deren Ursachen (insbesondere die sich wiederholende Vielfalt) oder noch seltenere Ereignisse wie die Umwandlung von Sternen in Schwarze Löcher. Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, erschien in der Januar-Ausgabe der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society und wurde vom Science and Technology Facilities Council bei UK Research and Innovation finanziert.
