Neue Forschungen, die Computersimulationen und astronomische Daten nutzen, kommen zu dem Ergebnis, dass einige langanhaltende Gammastrahlenausbrüche (GRBs) durch kosmische Verschmelzungen verursacht werden, die zur Bildung von Schwarzen Löchern führen. Dies stellt frühere Theorien in Frage, dass GRBs ausschließlich durch den Kollaps von Sternen verursacht werden. Dieser Durchbruch ermöglicht ein umfassenderes Verständnis des Ursprungs von Gammastrahlenausbrüchen.
Astrophysiker am Fratillon Institute und Kollegen haben modernste Computersimulationen verwendet, um uns ein klareres Verständnis davon zu vermitteln, wie Schwarze Löcher die energiereichsten Ausbrüche im Universum erzeugen.
Modernste Computersimulationen in Kombination mit theoretischen Berechnungen helfen Astronomen, die Ursprünge einiger der energiereichsten und mysteriösesten Lichtphänomene im Universum – Gammastrahlenausbrüche (GRBs) – besser zu verstehen. Das neue einheitliche Modell bestätigt, dass einige langanhaltende Gammastrahlenausbrüche nach kosmischen Verschmelzungen entstehen, die kleine Schwarze Löcher entstehen lassen, die von einer riesigen Scheibe aus roher Materie umgeben sind.
Bisher gingen Astronomen davon aus, dass die Schwarzen Löcher, die lange GRBs erzeugen, typischerweise entstehen, wenn massereiche Sterne kollabieren. Neue Modelle zeigen jedoch, dass sie auch entstehen könnten, 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 die kürzlich beobachteten langen GRBs, die Astronomen nicht mit dem Sternkollaps in Verbindung bringen konnten.
Die Ersteller der Simulation veröffentlichten ihre Ergebnisse am 29. November in The Astrophysical Journal Letters.
Simulationen zeigen, wie die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns die starken Jets und Winde erzeugt, die Gammastrahlenausbrüche erzeugen. Eine neue Studie schlägt einen Rahmen vor, der die Physik solcher Verschmelzungen mit Beobachtungen von Gammastrahlenausbrüchen verknüpft. Untersuchungen haben ergeben, dass Verschmelzungen massereicher Objekte wie Schwarzer Löcher und Neutronensterne zu lang anhaltenden Gammastrahlenausbrüchen führen können. Quelle: Ole Gottlieb
„Unsere Ergebnisse verbinden Beobachtungen mit der Grundlagenphysik und vereinheitlichen viele unbeantwortete Fragen im Bereich der Gammastrahlenausbrüche“, sagte Ore Gottlieb, Hauptautor der neuen Studie und Forscher am Center for Computational Astrophysics (CCA) am Flatiron Institute in New York City. „Zum ersten Mal können wir durch Beobachtungen von GRBs wissen, was passiert, bevor sich ein Schwarzes Loch bildet.“
GRBs sind die hellsten und heftigsten Ereignisse im Universum. GRBs haben Astronomen seit ihrer ersten Entdeckung im Jahr 1967 verblüfft und verwirrt. Auch nach Jahrzehnten bleibt der genaue Mechanismus, der starke Gammastrahlenausbrüche erzeugt, ungewiss. Im Laufe der Jahre haben Astronomen zwei verschiedene Arten von Gammastrahlenausbrüchen beobachtet – einer dauerte weniger als eine Sekunde und ein anderer dauerte 10 Sekunden oder länger. Die Forscher stellten schließlich fest, dass kurze GRBs von Jets stammen, die nach der Verschmelzung zweier kompakter Objekte emittiert werden, während lange GRBs in Jets auftreten können, die beim Kollaps massiver rotierender Sterne emittiert werden. Aber im vergangenen Jahr haben zwei ungewöhnliche Beobachtungen langer GRBs gezeigt, dass es nicht nur kollabierende Giganten sind, die lange GRBs verursachen.
Gottlieb und seine Kollegen führten hochmoderne Simulationen durch, um zu testen, wie Verschmelzungen massiver, kompakter Objekte Gammastrahlenausbrüche auslösen können. Die neuen Simulationen dauerten mehrere Monate und wurden teilweise auf einem Supercomputer am Fratilon Institute durchgeführt. Die neue Simulation beginnt, wenn sich die beiden kompakten Objekte in einer engen Umlaufbahn befinden, und verfolgt die Jets, bis sie sich von der Verschmelzungsstelle entfernen. Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern, weniger Annahmen über die beteiligte Physik zu treffen. Durch die Kombination von Simulationen mit Einschränkungen aus astronomischen Daten erstellten die Wissenschaftler ein einheitliches Modell des Ursprungs von GRBs.
Forscher stellten fest, dass der ungewöhnliche GRB nach der Verschmelzung zweier kompakter Objekte entstand. Durch die Verschmelzung entsteht ein Schwarzes Loch, das von einer großen Akkretionsscheibe umgeben ist – einem sich schnell drehenden Donut aus magnetischem Restmaterial –, das lange GRBs aussenden kann. Diese Informationen aus den Simulationen helfen Astronomen nicht nur, die Objekte zu verstehen, die diese Gammastrahlenausbrüche erzeugen, sondern auch, was vor ihnen passiert.
Simulationen zeigen, wie die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns die starken Jets und Winde erzeugt, die Gammastrahlenausbrüche erzeugen. Eine neue Studie schlägt einen Rahmen vor, der die Physik solcher Verschmelzungen mit Beobachtungen von Gammastrahlenausbrüchen verknüpft. Untersuchungen haben ergeben, dass Verschmelzungen massereicher Objekte wie Schwarzer Löcher und Neutronensterne zu lang anhaltenden Gammastrahlenausbrüchen führen können. Quelle: Ole Gottlieb
Gottlieb sagte: „Wenn wir einen langen Gammastrahlenausbruch wie den im Jahr 2022 beobachteten sehen, wissen wir jetzt, dass er von einem Schwarzen Loch mit einer massereichen Scheibe stammt. Da wir wissen, dass es eine massereiche Scheibe gibt, können wir jetzt das Massenverhältnis der beiden Mutterkörper berechnen, da ihr Massenverhältnis mit den Eigenschaften der Scheibe zusammenhängt. Beispielsweise wird die Verschmelzung von Neutronensternen mit ungleichen Massen unweigerlich GRBs mit längerer Dauer erzeugen.“
Wissenschaftler hoffen, mit diesem einheitlichen Modell bestimmen zu können, welche Objekte kurze GRBs produzieren. Das Modell legt nahe, dass diese Ausbrüche von Schwarzen Löchern mit kleineren Akkretionsscheiben oder von einem Objekttyp namens supermassiver Neutronenstern verursacht werden könnten, einer instabilen Sternform, die schnell kollabiert und ein Schwarzes Loch bildet, jedoch nicht bevor sie einen kurzen GRB-Impuls aussendet. Die Wissenschaftler hoffen, dass sie mit mehr GRB-Beobachtungen ihre Simulationen weiter verfeinern können, um den Ursprung aller GRBs zu bestimmen. Während GRB-Beobachtungen noch relativ selten sind, wollen Astronomen mehr GRBs fangen, wenn das Vera C Rubin Observatorium Anfang 2025 mit den Beobachtungen beginnt.
„Je mehr wir GRBs mit unterschiedlichen Pulsdauern beobachten, desto besser können wir den zentralen Motor erkennen, der diese extremen Ereignisse antreibt“, sagte Gottlieb.