Un team di astrofisici guidato dalla Northwestern University ha sviluppato la prima simulazione 3D completa di un'intera evoluzione di un jet formato da una stella che crolla, o un "collassar".

Poiché questi getti generano lampi di raggi gamma (GRB), gli eventi più energetici e luminosi nell'universo dal Big Bang, le simulazioni hanno fatto luce su queste peculiari e intense lampi di luce. Le loro nuove scoperte includono una spiegazione per l'annosa domanda sul perché i GRB siano misteriosamente punteggiati da momenti tranquilli, che lampeggiano tra potenti emissioni e un'immobilità stranamente tranquilla. La nuova simulazione mostra anche che i GRB sono ancora più rari di quanto si pensasse in precedenza.

Il nuovo studio sarà pubblicato il 29 giugno su Astrophysical Journal Letters . Segna la prima simulazione 3D completa dell'intera evoluzione di un getto, dalla sua nascita vicino al buco nero alla sua emissione dopo la fuga dalla stella che collassa. Il nuovo modello è anche la simulazione con la risoluzione più alta in assoluto di un jet su larga scala.

"Questi jet sono gli eventi più potenti dell'universo", ha detto Ore Gottlieb della Northwestern, che ha guidato lo studio. "Studi precedenti hanno cercato di capire come funzionano, ma quegli studi erano limitati dalla potenza di calcolo e dovevano includere molte ipotesi. Siamo stati in grado di modellare l'intera evoluzione del jet fin dall'inizio, dalla sua nascita da un buco nero. senza presumere nulla sulla struttura del getto. Abbiamo seguito il getto dal buco nero fino al sito di emissione e abbiamo trovato processi che erano stati trascurati in studi precedenti."

Gottlieb è un Rothschild Fellow nel Centro per l'esplorazione interdisciplinare e la ricerca in astrofisica (CIERA) della Northwestern. È stato coautore dell'articolo con Sasha Tchekhovskoy, membro della CIERA, assistente professore di fisica e astronomia al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern.

Strano vacillamento

Il fenomeno più luminoso dell'universo, i GRB emergono quando il nucleo di una stella massiccia collassa sotto la propria gravità per formare un buco nero. Quando il gas cade nel buco nero rotante, si eccita, lanciando un getto nella stella che collassa. Il getto colpisce la stella fino a fuggire da essa, accelerando a velocità vicine a quella della luce. Dopo essersi liberato dalla stella, il getto genera un luminoso GRB.

"Il getto genera un GRB quando raggiunge circa 30 volte la dimensione della stella, o un milione di volte la dimensione del buco nero", ha detto Gottlieb. "In altre parole, se il buco nero ha le dimensioni di un pallone da spiaggia, il jet deve espandersi sull'intera dimensione della Francia prima di poter produrre un GRB."

A causa dell'enormità di questa scala, le simulazioni precedenti non sono state in grado di modellare l'intera evoluzione della nascita del jet e del successivo viaggio. Utilizzando ipotesi, tutti gli studi precedenti hanno scoperto che il getto si propaga lungo un asse e non devia mai da quell'asse.

Ma la simulazione di Gottlieb ha mostrato qualcosa di molto diverso. Quando la stella collassa in un buco nero, il materiale di quella stella cade sul disco di gas magnetizzato che ruota attorno al buco nero. Il materiale in caduta fa inclinare il disco, che a sua volta inclina il getto. Mentre il jet fatica a riallinearsi con la sua traiettoria originale, oscilla all'interno del collasso.

Questa oscillazione fornisce una nuova spiegazione del motivo per cui i GRB lampeggiano. Durante i momenti di quiete, il getto non si ferma:i suoi raggi di emissione si allontanano dalla Terra, quindi i telescopi semplicemente non possono osservarlo.

"Le emissioni dei GRB sono sempre irregolari", ha detto Gottlieb. "Vediamo picchi di emissione e quindi un tempo di riposo che dura per alcuni secondi o più. L'intera durata di un GRB è di circa un minuto, quindi questi tempi di riposo sono una frazione non trascurabile della durata totale. I modelli precedenti non lo erano in grado di spiegare da dove provenissero questi tempi di quiete. Questa oscillazione dà naturalmente una spiegazione a quel fenomeno. Osserviamo il getto quando punta verso di noi. Ma quando il getto oscilla per puntare lontano da noi, non possiamo vederne l'emissione. Questo è parte della teoria della relatività di Einstein."

Il raro diventa più raro

Questi getti traballanti forniscono anche nuove informazioni sulla velocità e sulla natura dei GRB. Sebbene studi precedenti stimassero che circa l'1% dei collapsar produce GRB, Gottlieb ritiene che i GRB siano in realtà molto più rari.

Se il getto fosse costretto a muoversi lungo un asse, coprirebbe solo una sottile fetta di cielo, limitando la probabilità di osservarlo. Ma la natura traballante del getto significa che gli astrofisici possono osservare i GRB con orientamenti diversi, aumentando la probabilità di individuarli. Secondo i calcoli di Gottlieb, i GRB sono 10 volte più osservabili di quanto si pensasse in precedenza, il che significa che agli astrofisici mancano 10 volte meno GRB di quanto si pensasse in precedenza.

"L'idea è che osserviamo i GRB nel cielo a una certa velocità e vogliamo conoscere il vero tasso di GRB nell'universo", ha spiegato Gottlieb. "Le velocità osservate e reali sono diverse perché possiamo vedere solo i GRB che puntano verso di noi. Ciò significa che dobbiamo presumere qualcosa sull'angolo che questi getti coprono sul cielo, al fine di dedurre la velocità reale dei GRB. Quello cioè, quale frazione di GRB ci manca. L'oscillazione aumenta il numero di GRB rilevabili, quindi la correzione dalla frequenza osservata a quella reale è minore. Se perdiamo meno GRB, allora ci sono meno GRB nel cielo."

Se questo è vero, afferma Gottlieb, allora la maggior parte dei jet o non viene lanciata o non riesce mai a scappare dal collasso per produrre un GRB. Rimangono invece sepolti all'interno.

Energia mista

Le nuove simulazioni hanno anche rivelato che parte dell'energia magnetica nei getti si converte parzialmente in energia termica. Ciò suggerisce che il getto ha una composizione ibrida di energie magnetiche e termiche, che producono il GRB. Con un importante passo avanti nella comprensione dei meccanismi che alimentano i GRB, questa è la prima volta che i ricercatori hanno dedotto la composizione del getto dei GRB al momento dell'emissione.

"Lo studio dei jet ci consente di 'vedere' cosa accade nelle profondità della stella mentre collassa", ha detto Gottlieb. "Altrimenti, è difficile imparare cosa succede in una stella collassata perché la luce non può sfuggire dall'interno della stella. Ma possiamo imparare dall'emissione del getto:la storia del getto e le informazioni che trasporta dai sistemi che lo lanciano".

Il principale progresso della nuova simulazione risiede in parte nella sua potenza di calcolo. Utilizzando il codice "H-AMR" sui supercomputer dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility di Oak Ridge, nel Tennessee, i ricercatori hanno sviluppato la nuova simulazione, che utilizza le unità di elaborazione grafica (GPU) invece delle unità di elaborazione centrale (CPU). Estremamente efficienti nella manipolazione della computer grafica e dell'elaborazione delle immagini, le GPU accelerano la creazione di immagini su un display. + Esplora ulteriormente

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