Neue Interpretation des „unmöglichen“ Gammastrahlenausbruchs durch Wissenschaftler

von Amir Hussein
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Gamma-Ray Bursts

Forscher der Northwestern University haben Simulationen erstellt, die darauf hinweisen, dass Neutronensternverschmelzungen und nicht nur massive Sternkollaps zu langen Gammastrahlenausbrüchen führen können. Dieser Befund bereichert unser Verständnis der Physik Schwarzer Löcher und widerspricht aktuellen astrophysikalischen Modellen. Quelle: SciTechPost.com

Wissenschaftler der Northwestern University führten die erste umfangreiche numerische Simulation durch, die sich an den rätselhaften Beobachtungen einer Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen orientierte.

Im Jahr 2022 lieferte ein Team der Northwestern University neue Beobachtungsergebnisse, die darauf hindeuten, dass lange Gammastrahlenausbrüche (GRBs) aus der Kollision eines Neutronensterns mit einem dichten Objekt wie einem anderen Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch resultieren könnten, was zuvor als unplausibel galt.

Ein anderes Team aus dem Nordwesten schlägt nun eine Erklärung für den beobachteten außergewöhnlichen und intensiv hellen Lichtausbruch vor.

Sie erstellten die erste numerische Simulation, die die Jet-Entwicklung einer Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern über große Entfernungen verfolgte und dabei zeigte, dass das resultierende Schwarze Loch Jets aus dem verschlungenen Neutronenstern ausstoßen kann.

Die entscheidenden Faktoren sind die Masse des Gasstrudels (Akkretionsscheibe) um das Schwarze Loch und seine Magnetfeldstärke. In massiven Scheiben mit einem starken Magnetfeld stößt das Schwarze Loch einen kurzen, außergewöhnlich hellen Strahl aus, der alle bisher beobachteten Helligkeiten übertrifft. Umgekehrt führt ein schwächeres Magnetfeld in einer massiven Scheibe zu einem Jet mit ähnlicher Leuchtkraft und Dauer wie der mysteriöse GRB (mit dem Namen GRB211211A), der 2021 beobachtet und 2022 gemeldet wurde.

Diese Entdeckung klärt nicht nur die Ursprünge langer GRBs auf, sondern liefert auch Einblicke in die Natur von Schwarzen Löchern, Magnetfeldern und Akkretionsscheiben.

Die bahnbrechende groß angelegte Simulation der Entwicklung eines Jets bei der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns wurde Ore Gottlieb von der Northwestern University zugeschrieben.

Diese Studie wurde kürzlich im Astrophysical Journal veröffentlicht.

Ore Gottlieb von Northwestern erklärte, dass keine früheren numerischen Simulationen einen Jet von der Verschmelzung eines kompakten Objekts bis zu seiner Entstehung und großräumigen Entwicklung konsequent verfolgt hätten, was ihre Arbeit zum ersten Mal zum Ziel hatte. Überraschenderweise stimmten ihre Ergebnisse mit den Beobachtungen von GRB211211A überein.

Danat Issa von Northwestern, der das Projekt gemeinsam mit Gottlieb leitete, beschrieb Neutronensternverschmelzungen als faszinierende Multi-Messenger-Phänomene, die sowohl Gravitations- als auch elektromagnetische Wellen erzeugen. Die umfassende Modellierung dieser gesamten Fusionssequenz war ein Novum auf diesem Gebiet.

Während der Studie war Gottlieb CIERA Fellow am Astrophysikzentrum Northwestern und ist jetzt Flatiron Research Fellow am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute. Issa, ein Doktorand in der Abteilung für Physik und Astronomie der Northwestern University und CIERA-Mitglied, wird von Co-Autor Alexander Tchekhovskoy, einem außerordentlichen Professor für Physik und Astronomie an der Northwestern University, betreut.

Die Entdeckung der Kilonova GRB211211A im Dezember 2021, von der zunächst angenommen wurde, dass sie von einem massiven Sternkollaps stammt, lieferte Hinweise auf eine seltene Kilonova nach einer Neutronensternverschmelzung. Dieses im Dezember 2022 in Nature veröffentlichte Ergebnis stellte die lange gehegte Annahme in Frage, dass nur Supernovae lange GRBs erzeugen könnten.

Gottlieb bemerkte, dass GRB 211211A das Interesse an der Entstehung von Langzeit-GRBs wiederbelebt habe, die nicht mit massereichen Sternen in Verbindung stehen und wahrscheinlich aus der Verschmelzung kompakter Doppelsterne stammen.

Das Hubble-Weltraumteleskop hat den rot markierten Standort von GRB 211211A erfasst.

Gottlieb, Issa und ihr Team versuchten, den gesamten Ablauf des Compact-Merger-Ereignisses zu simulieren, von der Vorfusion bis zum Abschluss des GRB-Events. Diese komplexe Aufgabe war aufgrund ihres Rechenaufwands bisher nicht modelliert. Sie teilten das Szenario in zwei Simulationen auf, beginnend mit der Phase vor dem Zusammenschluss und nutzten die Ergebnisse dann für die Simulation nach dem Zusammenschluss.

Die Simulationen zeigten die Verschmelzung kompakter Objekte zu einem größeren Schwarzen Loch. Dieses Schwarze Loch zog die Überreste des Neutronensterns an und bildete eine Akkretionsscheibe, bevor einige Trümmer als Jet mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen wurden.

Die Simulationen zeigten, dass ein starkes Magnetfeld in einer massiven Scheibe zu einem kurzen, unglaublich hellen GRB führt, während ein schwächeres Magnetfeld einen lang anhaltenden Jet erzeugt, der langen GRBs ähnelt.

Gottlieb bemerkte, dass „lang“ relativ ist, da GRBs unter zwei Sekunden kurz sind, während GRBs über zwei Sekunden lang sind. Selbst diese kurzen Ereignisse stellen erhebliche Herausforderungen bei der Modellierung dar.

Issa betonte die Schwierigkeit, die Entwicklung dieser Fusionen über mehrere Sekunden mithilfe von Supercomputersimulationen zu erfassen.

Gottlieb und Issa planen, ihre Modelle weiter zu verfeinern, wobei Issa sich auf die Integration von Neutrinokühlung zur Verbesserung der physikalischen Genauigkeit konzentriert. Ziel dieser Ergänzung ist es, ein detaillierteres Verständnis der Verschmelzung von Neutronensternen zu ermöglichen.

Die Studie „Large-scale Evolution of Seconds-long Relativistic Jets from Black Hole–Neutron Star Mergers“ wurde von Ore Gottlieb, Danat Issa und anderen verfasst und am 31. August 2023 in The Astrophysical Journal Letters (DOI) veröffentlicht : 10.3847/2041-8213/aceeff).

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Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu Gammastrahlenausbrüchen

Was ist die neue Entdeckung über Gammastrahlenausbrüche?

Forscher der Northwestern University haben herausgefunden, dass lange Gammastrahlenausbrüche, von denen bisher angenommen wurde, dass sie nur durch massive Sternkollaps verursacht werden, auch aus der Verschmelzung von Neutronensternen resultieren können. Diese Entdeckung stellt etablierte astrophysikalische Theorien in Frage und erweitert unser Verständnis der Physik Schwarzer Löcher.

Wie erzeugen Neutronensternverschmelzungen Gammastrahlenausbrüche?

Durch die Verschmelzung von Neutronensternen können Gammastrahlenausbrüche durch die Bildung eines Schwarzen Lochs entstehen, das Materialstrahlen aus dem eingehüllten Neutronenstern ausstößt. Der Prozess hängt von der Masse der Akkretionsscheibe und der Stärke ihres Magnetfelds ab.

Was war das Besondere an der Studie der Northwestern University?

Die Studie der Northwestern University war insofern einzigartig, als sie die erste groß angelegte numerische Simulation präsentierte, die mit den Beobachtungen einer Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen übereinstimmte und eine mögliche Erklärung für bisher ungeklärte Gammastrahlenausbrüche lieferte.

Welche Implikationen hat diese Entdeckung?

Diese Entdeckung liefert neue Einblicke in die Natur und Physik von Schwarzen Löchern, ihren Magnetfeldern und Akkretionsscheiben. Es erweitert auch unser Verständnis der Ursprünge langer Gammastrahlenausbrüche und bietet eine neue Perspektive auf diese kosmischen Ereignisse.

Welche Rolle spielten numerische Simulationen in dieser Forschung?

Numerische Simulationen spielten bei dieser Forschung eine entscheidende Rolle, da sie es Wissenschaftlern ermöglichten, die Jet-Entwicklung bei der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern über große Entfernungen zu verfolgen. Dieser Ansatz half ihnen zu verstehen, wie das Schwarze Loch nach der Fusion Materialstrahlen aus dem verschluckten Neutronenstern ausstoßen könnte.

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