1967 bemerkten NASA-Wissenschaftler aus dem Weltraum etwas, das sie noch nie zuvor gesehen hatten. In dem, was als „ Kerzenvorfall “, mehrere Satelliten registriert a Gamma-Ray-Burst (GRB), die so hell war, dass sie kurzzeitig die gesamte Galaxie überstrahlte. Angesichts ihrer unglaublichen Kraft und der kurzlebigen Natur waren Astronomen begierig darauf, herauszufinden, wie und warum diese Ausbrüche stattfinden.
Jahrzehntelange Beobachtungen haben zu dem Schluss geführt, dass diese Explosionen auftreten, wenn ein massereicher Stern zur Supernova wird, aber Astronomen waren sich immer noch nicht sicher, warum dies in einigen Fällen geschah und in anderen nicht. Dank an neue Forschung von einem Team der University of Warwick scheint der Schlüssel zur Produktion von GRBs in Doppelsternsystemen zu liegen – d. h. ein Stern braucht einen Gefährten, 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 University of Warwick. Im Rahmen ihrer Studie befasste sich das Team mit dem zentralen Rätsel um Langzeit-GRBs, nämlich wie Sterne schnell genug gedreht werden können, um die beobachteten Explosionen zu erzeugen.
Künstlerische Darstellung des leistungsstarken Gammablitzes GRB 190114C. Bildnachweis: NASA/ESA
Kurz gesagt, GRBs treten auf, wenn massereiche Sterne (ungefähr zehnmal so groß wie unsere Sonne) zur Supernova werden und zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch kollabieren. Dabei werden die äußeren Schichten des Sterns weggeblasen und das ausgestoßene Material flacht sich um den neugebildeten Überrest zu einer Scheibe ab, um den Drehimpuls zu erhalten. Wenn dieses Material nach innen fällt, wird es durch diesen Impuls in Form von Strahlen, die von den Polen ausgehen, ausgelöst.
Diese werden als „relativistische Jets“ bezeichnet, weil das Material in ihnen beschleunigt wird, um die Lichtgeschwindigkeit zu schließen. Obwohl 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 10-20% von ihnen sehen können. Sie sind auch für astronomische Phänomene sehr kurz und dauern zwischen einem Bruchteil einer Sekunde und mehreren Minuten.
Außerdem muss sich ein Stern extrem schnell drehen, um Material mit nahezu Lichtgeschwindigkeit entlang seiner Polarachsen zu schleudern. Dies stellt Astronomen vor ein Rätsel, da Sterne normalerweise sehr schnell jede Drehung verlieren, die sie erhalten. Um diese ungelösten Fragen anzugehen, stützte sich das Team auf eine Sammlung von Sternentwicklungsmodellen, um das Verhalten massereicher Sterne beim Kollaps 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.
Daraus konnten die Forscher die Faktoren eingrenzen, die dazu führen, dass sich relativistische Jets aus einigen kollabierenden Sternen bilden. Sie fanden heraus, dass Gezeiteneffekte, ähnlich denen zwischen Erde und Mond, die einzig wahrscheinliche Erklärung waren. Mit anderen Worten, Langzeit-GRBs treten in Doppelsternsystemen auf, in denen Sterne in ihrer Drehung miteinander verbunden sind, was einen starken Gezeiteneffekt erzeugt, der ihre Rotation beschleunigt.
Wie Chrimes in einem kürzlich erschienenen Warwick Pressemitteilung :
„Wir sagen voraus, welche Art von Sternen oder Systemen Gammastrahlenausbrüche erzeugen, die die größten Explosionen im Universum sind. Bisher war unklar, welche Art von Sternen oder Doppelsystemen Sie benötigen, um dieses Ergebnis zu erzielen.
'Die Frage war, wie ein Stern anfängt sich zu drehen oder seine Drehung im Laufe der Zeit beizubehalten. Wir fanden heraus, dass die Wirkung der Gezeiten eines Sterns auf seinen Partner verhindert, dass er sich verlangsamt, und in einigen Fällen sogar in die Höhe treibt. Sie stehlen ihrem Gefährten Rotationsenergie, was zur Folge hat, dass sie weiter wegdriften.
'Wir haben festgestellt, dass sich die Mehrheit der Sterne genau deshalb schnell dreht, weil sie sich in einem Doppelsternsystem befinden.“
Wie Dr. Elizabeth Stanway – Forscherin am Department of Physics der University of Warwick und Mitautorin der Studie – betonte, ist die binäre Evolution für Astronomen kaum neu. Die Berechnungen von Chrimes und ihren Kollegen wurden jedoch aufgrund der damit verbundenen komplizierten Berechnungen noch nie zuvor durchgeführt. Daher ist diese Studie die erste, die die physikalischen Mechanismen untersucht, die in binären Modellen am Werk sind.
Gamma-Ray Bursts (GRBs) sind starke Blitze energetischer Gammastrahlen, die von weniger als einer Sekunde bis zu mehreren Minuten dauern. Bildnachweis: ESO/A. Roquette
„Es gab auch ein großes Dilemma bezüglich der Metallizität von Sternen, die Gammastrahlenausbrüche erzeugen“, sagte sie genannt . „Als Astronomen messen wir die Zusammensetzung von Sternen und der vorherrschende Pfad für Gammastrahlenausbrüche erfordert nur sehr wenige Eisenatome oder andere schwere Elemente in der Sternatmosphäre. Es gab ein Rätsel darüber, warum wir eine Vielzahl von Zusammensetzungen in den Sternen sehen, die Gammastrahlenausbrüche erzeugen, und dieses Modell bietet eine Erklärung.“
Dank dieser neuesten Studie und des daraus resultierenden Modells zur binären Evolution werden Astronomen in der Lage sein, vorherzusagen, wie GRB-produzierende Sterne in Bezug auf Temperatur, Leuchtkraft und die Eigenschaften ihres Begleitsterns aussehen sollten. Mit Blick in 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 ihre Ursachen (insbesondere die sich wiederholende Variante) oder noch seltenere Ereignisse wie die Verwandlung 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 finanziert von der Rat für Wissenschafts- und Technologieeinrichtungen bei UK Forschung und Innovation .
Weiterlesen: Universität Warwick , MNRAS
