Gammablixtar (GRB) är intensiva utbrott av gammastrålning, som vanligtvis genererar mer energi på några sekunder än vad solen kommer att producera under sin tio miljarder år långa livstid. Dessa transienta fenomen utgör en av astrofysikens mest utmanande gåtor, som går tillbaka till deras oavsiktliga upptäckt 1967 av en kärnvapenövervakningssatellit.
Jon Hakkila, forskare vid University of Alabama i Huntsville (UAH), en del av University of Alabama System, är huvudförfattare till en artikel i The Astrophysical Journal som lovar att kasta ljus över hur dessa mystiska kosmiska kraftverk beter sig genom att fokusera på rörelsen hos de jetstrålar där dessa krafter har sitt ursprung. Artikeln är medförfattad av Dr. Timothy Giblin, Dr. Robert Preece och Dr. Geoffrey Pendleton från deciBel Research, Inc. som tidigare studerat vid UAH.
”Trots att de har studerats i över femtio år är de mekanismer som GRBs producerar ljus fortfarande okända, ett stort mysterium inom modern astrofysik”, förklarar Hakkila. ”Att förstå GRB hjälper oss att förstå några av de snabbaste och mest kraftfulla ljusproducerande mekanismer som naturen använder. GRB:er är så ljusstarka att de kan ses över hela universum, och eftersom ljus färdas med en begränsad hastighet kan vi se tillbaka till den tidigaste tiden då stjärnor existerade.”
En anledning till mysteriet är att teoretiska modeller inte kan ge konsekventa förklaringar av GRB-egenskaper för deras ljuskurvebeteenden. Inom astronomi är en ljuskurva en graf över ljusintensiteten hos ett himmelsobjekt som en funktion av tiden. Att studera ljuskurvor kan ge viktig information om de fysiska processer som producerar dem, samt hjälpa till att definiera teorierna om dem. Det finns inte två GRB-ljuskurvor som är identiska, och utsläppets varaktighet kan variera från millisekunder till tiotals minuter som en serie energiska pulser.
”Pulser är de grundläggande enheterna i GRB-emission”, säger Hakkila. ”De indikerar tidpunkter då en GRB lyser upp och sedan försvinner. Under tiden som en GRB-puls avges genomgår den variationer i ljusstyrka som ibland kan inträffa på mycket korta tidsskalor. Det märkliga med dessa variationer är att de är reversibla på samma sätt som ord som ”rotator” eller ”kajak” (palindromer) är reversibla.
”Det är mycket svårt att förstå hur detta kan hända, eftersom tiden bara rör sig i en riktning. Mekanismen som producerar ljus i en GRB-puls producerar på något sätt ett ljusmönster, för att sedan generera samma mönster i omvänd ordning. Det är ganska konstigt och det gör GRB:er unika.”
GRB-utsläpp antas i allmänhet ske i relativistiska jets – kraftfulla strömmar av strålning och partiklar – som skjuts ut från nybildade svarta hål.
”I dessa modeller kollapsar kärnan i en döende massiv stjärna och bildar ett svart hål, och material som faller in i det svarta hålet slits sönder och omdirigeras utåt längs två motsatta strålar, eller jets”, säger Hakkila. ”Jetmaterialet som pekar i vår riktning kastas utåt med nästan ljusets hastighet. Eftersom GRB är relativt kortlivad har man alltid antagit att strålen fortsätter att peka mot oss under hela händelsen. Men de tidsomvända pulsegenskaperna har varit mycket svåra att förklara om de härstammar från en jetstråle som inte rör sig.”
För att hjälpa till att avmystifiera dessa egenskaper föreslår man i artikeln att man lägger till rörelse i jetstrålen.
”Idén om en jetstråle som rör sig i sidled ger en enkel lösning som kan förklara den tidsomvända GRB-pulsstrukturen”, säger forskaren. ”När jetstrålen korsar siktlinjen kommer en observatör att se ljus som först produceras av en sida av jetstrålen, sedan jetstrålens centrum och slutligen den andra sidan av jetstrålen. Jetstrålen blir ljusare och sedan svagare när jetstrålens centrum korsar siktlinjen, och radiellt symmetrisk struktur runt jetstrålens kärna kommer att ses i omvänd ordning när jetstrålen blir svagare.”
Den snabba expansionen hos gammablixtstrålar, i kombination med rörelsen hos strålens ”munstycke” i förhållande till en observatör, bidrar till att belysa strukturen hos GRB-strålar.
”Strålarna måste spruta ut material på samma sätt som en brandslang sprutar ut vatten”, säger Hakkila. ”Strålen beter sig mer som en vätska än ett fast föremål, och en observatör som kan se hela strålen skulle se den som böjd snarare än rak. Munstyckets rörelse gör att ljus från olika delar av strålen når oss vid olika tidpunkter, och detta kan användas för att bättre förstå den mekanism genom vilken strålen producerar ljus, samt som ett laboratorium för att studera effekterna av speciell relativitetsteori.”
Ytterligare information: Jon Hakkila et al, Gamma-Ray Burst Pulses and Lateral Jet Motion, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad2f26
