La caída de polvo de estrellas y los chorros tambaleantes explican el parpadeo de los estallidos de rayos gamma

La caída de polvo de estrellas y los chorros tambaleantes explican el parpadeo de los estallidos de rayos gamma

Un avión (en rojo) se balancea dentro de la avalancha antes de explotar en la fotosfera. Crédito: Ore Gottlieb/Universidad de Northwestern

Un equipo de astrofísicos dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado la primera simulación 3D completa de la evolución completa de un plano formado por el colapso de una estrella, o «colapso».

Debido a que estos chorros generan estallidos de rayos gamma (GRB), los eventos más energéticos y brillantes del universo desde el Big Bang, las simulaciones han arrojado luz sobre estos extraños e intensos estallidos de luz. Sus nuevos hallazgos incluyen una explicación de la larga pregunta de por qué están marcados por momentos misteriosamente silenciosos, que oscilan entre emisiones fuertes y una quietud inquietantemente tranquila. Las nuevas simulaciones también muestran que los GRB son mucho más raros de lo que se pensaba anteriormente.

El nuevo estudio se publicará el 29 de junio en Cartas de revistas astrofísicas. Representa la primera simulación 3D completa de la evolución completa de un chorro, desde su nacimiento cerca de un agujero negro hasta su emisión después de escapar de una estrella que colapsa. El nuevo modelo es también la simulación de mayor fidelidad jamás realizada de un gran avión a reacción.

Visualización en 3D de la propagación de los chorros y vista en primer plano de la inclinación del disco que colapsa, lo que hace que los chorros se agiten. Crédito: Ore Gottlieb/Universidad de Northwestern

«Estos chorros son los eventos más poderosos del universo», dijo Ori Gottlieb de Northwestern, quien dirigió el estudio. «Estudios anteriores han tratado de comprender cómo funciona, pero esos estudios tenían un poder computacional limitado y se tuvieron que incluir muchas suposiciones. Pudimos modelar toda la evolución del chorro desde el principio, desde su nacimiento por un agujero negro. sin asumir nada sobre la estructura del avión. Seguimos el flujo desde el agujero negro hasta el sitio de emisión y encontramos procesos que se pasaron por alto en estudios anteriores».

Gottlieb es miembro de Rothschild en el Centro Noroeste para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). El artículo fue escrito en coautoría con el miembro de CIERA Sasha Chekovskoye, profesor asociado de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern.

La caída de polvo de estrellas y los chorros tambaleantes explican el parpadeo de los estallidos de rayos gamma

Después de ser liberado de la avalancha, el chorro genera un estallido de rayos gamma (GRB). Crédito: Ore Gottlieb/Universidad de Northwestern

extraño tambaleante

Los GRB, el fenómeno más brillante del universo, aparecen cuando el núcleo de una estrella masiva colapsa bajo su gravedad para formar un agujero negro. Cuando el gas cae en un agujero negro giratorio, se energiza y dispara un chorro hacia la estrella que colapsa. El chorro golpea la estrella hasta que finalmente escapa de ella, acelerando a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Después de la liberación de la estrella, nace un GRB brillante.

“El chorro genera un GRB cuando alcanza unas 30 veces el tamaño de una estrella, o un millón de veces el tamaño de un agujero negro”, dijo Gottlieb. «En otras palabras, si el agujero negro fuera del tamaño de una pelota de playa, el chorro tendría que abarcar toda el área de Francia antes de que pueda producir un GRB».

Debido a la magnitud de esta escala, las simulaciones anteriores no pudieron modelar la evolución completa del nacimiento y posterior vuelo de la aeronave. Usando suposiciones, todos los estudios previos encontraron que un chorro se propaga a lo largo de un eje y nunca se desvía de ese eje.

Pero la simulación de Gottlieb mostró algo completamente diferente. Cuando una estrella colapsa en un agujero negro, el material de esa estrella cae sobre el disco magnetizado de gas que orbita alrededor del agujero negro. La materia que cae hace que el disco se incline, lo que a su vez inclina el flujo. Mientras el avión lucha por realinear su curso original, se tambalea dentro del colapso.

La caída de polvo de estrellas y los chorros tambaleantes explican el parpadeo de los estallidos de rayos gamma

Vista de primer plano del disco (en naranja) inclinado, lo que hace que los chorros vibren (en púrpura). Crédito: Ore Gottlieb/Universidad de Northwestern

Esta oscilación ofrece una nueva explicación de por qué parpadean los GRB. Durante los momentos de tranquilidad, el chorro no se detiene: emite luz solar lejos de la Tierra, por lo que los telescopios simplemente no pueden observarlo.

“Las emisiones de los gases de reciclaje gaseosos siempre son erráticas”, dijo Gottlieb. «Vemos chorros en la emisión y luego un tiempo de silencio que dura unos segundos o más. El GRB completo tiene una duración de aproximadamente 1 minuto, por lo que estos tiempos de silencio son una parte importante de la duración total. Los modelos anteriores no han sido capaz de explicar de dónde vienen estos momentos de tranquilidad. Esta Oscilación, naturalmente, da una explicación a este fenómeno. Notamos el avión cuando apunta hacia nosotros. Pero cuando el avión se balancea para alejarse de nosotros, no podemos ver su emisión. Este es parte de la teoría de la relatividad de Einstein».

Raro se vuelve más raro

Estos chorros oscilantes también brindan nuevos conocimientos sobre la tasa y la naturaleza de los GRB. Aunque estudios previos estimaron que alrededor del 1% de los colapsos producen GRB, Gottlieb cree que los GRB en realidad son mucho más raros.

Si el avión se viera obligado a moverse a lo largo de un eje, solo cubriría una fina porción del cielo, lo que limitaría la probabilidad de su observabilidad. Pero la naturaleza oscilante del avión significa que los astrofísicos pueden observar los GRB en diferentes direcciones, lo que aumenta la probabilidad de su detección. Según los cálculos de Gottlieb, los GRB se pueden observar 10 veces más de lo que se pensaba anteriormente, lo que significa que los astrofísicos pierden 10 veces menos de lo que se pensaba anteriormente.

«La idea es que estamos observando GRB en el cielo a un cierto ritmo, y queremos tener una idea de la verdadera tasa de GRB en el universo», explicó Gottlieb. «Las tasas observadas y reales son diferentes porque solo podemos ver los GRB apuntando hacia nosotros. Esto significa que debemos asumir algo sobre el ángulo que estos chorros cubren en el cielo, para inferir la verdadera tasa de GRB. Es decir, lo que es la parte que falta de los GRB. La fluctuación aumenta el número de GRB detectables, por lo que la corrección de la tasa observada a la tasa real es menor. Si perdemos menos GRB, habrá menos GRB en general en el cielo».

Si es cierto, como supone Gottlieb, la mayoría de los aviones no logran despegar o nunca logran escapar de la avalancha para producir un GRB. En cambio, permanecieron enterrados en el interior.

energía mixta

Las nuevas simulaciones también revelaron que parte de la energía magnética de los chorros se convierte parcialmente en energía térmica. Esto indica que la aeronave tiene una combinación híbrida de energías magnéticas y térmicas, lo que produce GRB. En un gran paso adelante en la comprensión de los mecanismos que impulsan los GRB, esta fue la primera vez que los investigadores extrapolaron la composición del chorro de los GRB en el momento de la emisión.

«estudiar aviones «Podemos ‘ver’ lo que sucede en las profundidades de la estrella cuando colapsa», dijo Gottlieb. De lo contrario, es difícil saber qué sucede en una estrella que colapsa porque la luz no puede escapar del interior de la estrella. Pero podemos aprender de las emisiones de los aviones: la historia de la aeronave y la información que lleva de los sistemas que la lanzan. «

El principal avance de la nueva simulación radica en parte en poder aritmético. Usando el código «H-AMR» en supercomputadoras en las instalaciones de Oak Ridge Leadership Computing en Oak Ridge, Tennessee, los investigadores desarrollaron la nueva simulación que usa unidades de procesamiento de gráficos (GPU) en lugar de CPU. Las GPU, que son muy eficientes en el procesamiento de imágenes y gráficos de computadora, aceleran la creación de imágenes en la pantalla.


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más información:
Ore Gottlieb et al., El agujero negro fotosférico: las simulaciones 3D GRMHD de avalanchas revelan oscilación y chorros de estructura híbrida, Cartas de revistas astrofísicas (2022). DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac7530

Introducción de
Northwestern University

La frase: Polvo de estrellas que cae, chorros tambaleantes que explican los parpadeos de estallidos de rayos gamma (29 de junio de 2022) Obtenido el 29 de junio de 2022 de https://phys.org/news/2022-06-falling-stardust-jets-gamma-ray.html

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