Scienziati del RIKEN Cluster for Pioneering Research e collaboratori hanno utilizzato simulazioni per dimostrare che i fotoni emessi da lunghi lampi di raggi gamma, tra gli eventi più energetici che avranno luogo nell'universo, hanno origine nella fotosfera, la parte visibile del "getto relativistico" emesso dalle stelle che esplodono.

I lampi di raggi gamma sono il fenomeno elettromagnetico più potente osservato nell'universo, rilasciando in un secondo circa tanta energia quanta ne rilascerà il sole nel corso della sua intera vita. Sebbene siano stati scoperti nel 1967, il meccanismo alla base di questo enorme rilascio di energia è rimasto a lungo misterioso. Decenni di studi hanno infine rivelato che un tipo chiamato long burst origina da getti relativistici di materia espulsi durante la morte di stelle massicce. Però, esattamente come i raggi gamma vengono prodotti dai getti è ancora sconosciuto.

La ricerca attuale, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , iniziò da una scoperta chiamata relazione Yonetoku, che è stato originariamente realizzato da uno degli autori del documento. Questa relazione tra l'energia di picco spettrale e la luminosità di picco dei GRB è la correlazione più stretta trovata finora nelle proprietà dell'emissione di GRB. Fornisce quindi la migliore diagnostica finora per spiegare il meccanismo di emissione, e il test più rigoroso per qualsiasi modello di lampi di raggi gamma. per inciso, la relazione significava anche che lunghi lampi di raggi gamma potevano essere usati come "candela standard" per misurare la distanza, consentendo agli astronomi di scrutare più nel passato rispetto alle supernove di tipo 1A, che sono comunemente usati oggi, ma sono molto più deboli. Ciò consentirebbe di ottenere informazioni sulla storia dell'universo, e potrebbe produrre intuizioni su misteri come la materia oscura e l'energia oscura.

Utilizzando simulazioni al computer eseguite su diversi supercomputer, tra cui Aterui dell'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone, Hokusai di RIKEN, e Cray xc40 dello Yukawa Institute for Theoretical Physics, il gruppo si è concentrato sul modello della cosiddetta "emissione fotosferica", uno dei modelli di punta per il meccanismo di emissione dei GRB. Questo modello postula che i fotoni visibili sulla terra siano emessi dalla fotosfera del getto relativistico. Man mano che il getto si espande, diventa più facile per i fotoni sfuggire al suo interno, poiché ci sono meno oggetti disponibili per diffondere la luce. Così, la "densità critica" —il luogo in cui diventa possibile per i fotoni fuggire—si sposta verso il basso attraverso il getto verso il materiale che originariamente era a densità sempre più elevate.

Per verificare la validità del modello, il team ha deciso di testarlo in un modo che tenesse conto della dinamica globale dei getti relativistici e del trasferimento di radiazioni. Utilizzando una combinazione di simulazioni idrodinamiche relativistiche tridimensionali e calcoli di trasferimento di radiazione per valutare le emissioni fotosferiche di un getto relativistico che esce dall'involucro stellare massiccio, sono stati in grado di determinare che almeno nel caso di GRB lunghi, il tipo associato a tali stelle massicce in collasso, il modello funzionava. Le loro simulazioni hanno rivelato che la relazione Yonetoku potrebbe essere riprodotta come conseguenza naturale delle interazioni jet-stellare. "A noi, " dice Hirotaka Ito del Cluster for Pioneering Research, "questo suggerisce fortemente che l'emissione fotosferica è il meccanismo di emissione dei GRB".

Lui continua, "Mentre abbiamo chiarito l'origine dei fotoni, ci sono ancora misteri su come gli stessi getti relativistici siano generati dalle stelle in collasso. I nostri calcoli dovrebbero fornire preziose informazioni per esaminare il meccanismo fondamentale dietro la generazione di questi eventi tremendamente potenti".