År 1967 märkte NASA-forskare något de aldrig hade sett innan från rymden. I vad som har kommit att kallas ' Ljushändelse ', flera satelliter registrerade en Gammastrålning (GRB) som var så ljus att det kort överglänste hela galaxen. Med tanke på deras fantastiska kraft och den kortlivade naturen har astronomer varit ivriga att avgöra hur och varför dessa utbrott äger rum.
Årtionden av observationer har lett till slutsatsen att dessa explosioner inträffar när en massiv stjärna går till supernova, men astronomerna var fortfarande osäkra på varför det hände i vissa fall och inte andra. Tack vare ny forskning av ett team från University of Warwick verkar det som om nyckeln till att producera GRB ligger hos binära stjärnsystem – dvs en stjärna behöver en följeslagare för att producera den ljusaste explosionen i universum.
Forskargruppen som ansvarade för upptäckten leddes av Ashley Crimes – en Ph.D. student vid University of Warwick Department of Physics. För sin studies skull tog teamet upp det centrala mysteriet om långvariga GRB:er, vilket är hur stjärnor kan snurras upp tillräckligt snabbt för att generera den typ av explosioner som har observerats.
Konstnärens intryck av den kraftfulla gammastrålningen GRB 190114C. Kredit: NASA/ESA
För att uttrycka det kortfattat uppstår GRB när massiva stjärnor (cirka tio gånger så stor som vår sol) går till supernova och kollapsar till en neutronstjärna eller ett svart hål. I processen blåser stjärnans yttre lager av och det utstötta materialet plattar ner till en skiva runt den nybildade kvarlevan för att bevara rörelsemängden. När detta material faller inåt, startar detta momentum det i form av jetstrålar som kommer från polerna.
Dessa är kända som 'relativistiska jetstrålar' på grund av hur materialet i dem accelereras för att stänga ljusets hastighet. Även om GRB är de ljusaste händelserna i universum, kan de bara observeras från jorden när en av deras polära axlar pekar direkt mot oss - vilket innebär att astronomer bara kan se omkring 10-20% av dem. De är också mycket korta när astronomiska fenomen går, och varar allt från en bråkdel av sekunder till flera minuter.
Dessutom måste en stjärna snurra extremt snabbt för att kunna skjuta upp material längs sina polära axlar med nära ljusets hastighet. Detta utgör en gåta för astronomer eftersom stjärnor vanligtvis förlorar alla snurr mycket snabbt. För att ta itu med dessa olösta frågor förlitade sig teamet på en samling stjärnevolutionsmodeller för att undersöka beteendet hos massiva stjärnor när de kollapsar.
Dessa modeller skapades av Dr Jan J. Eldridge från University of Auckland, Nya Zeeland, med hjälp av forskare från University of Warwick. I kombination med en teknik som kallas binär populationssyntes, simulerade forskarna en population av tusentals stjärnsystem för att identifiera mekanismen varigenom de sällsynta explosioner som producerar GRB kan inträffa.
Utifrån detta kunde forskarna begränsa de faktorer som orsakar att relativistiska jetstrålar bildas från några kollapsande stjärnor. Vad de fann var att tidvatteneffekter, liknande det som sker mellan jorden och månen, var den enda troliga förklaringen. Med andra ord, långvariga GRB:er förekommer i binära stjärnsystem där stjärnor låses ihop i sitt spinn, vilket skapar en kraftfull tidvatteneffekt som påskyndar deras rotation.
Som Crimes förklarade i en ny Warwick pressmeddelande :
'Vi förutsäger vilken typ av stjärnor eller system som producerar gammastrålningskurar, som är de största explosionerna i universum. Fram till nu har det varit oklart vilken typ av stjärnor eller binära system du behöver för att producera det resultatet.
'Frågan har varit hur en stjärna börjar snurra, eller behåller sin spin över tid. Vi upptäckte att effekten av en stjärnas tidvatten på sin partner hindrar dem från att sakta ner och, i vissa fall, snurrar den upp dem. De stjäl rotationsenergi från sin följeslagare, en konsekvens av detta är att de sedan driver längre bort.
'Vad vi har bestämt är att majoriteten av stjärnorna snurrar snabbt just för att de är i ett binärt system.'
Som Dr. Elizabeth Stanway – en forskare vid University of Warwick Department of Physics och medförfattare till studien – påpekade, är binär evolution knappast ny för astronomer. Den sortens beräkningar som Crimes och hennes kollegor har gjort har dock aldrig gjorts tidigare på grund av de komplicerade beräkningarna. Därför är den här studien den första som överväger de fysiska mekanismerna som fungerar inom binära modeller.
Gammastrålar (GRB) är kraftfulla blixtar av energiska gammastrålar som varar från mindre än en sekund till flera minuter. Kredit: ESO/A. Roquette
'Det har också funnits ett stort dilemma kring metalliciteten hos stjärnor som producerar gammastrålningsskurar,' hon sa . 'Som astronomer mäter vi stjärnornas sammansättning och den dominerande vägen för gammastrålningsskurar kräver väldigt få järnatomer eller andra tunga grundämnen i stjärnatmosfären. Det har funnits ett pussel om varför vi ser en mängd olika kompositioner i stjärnorna som producerar gammastrålning, och den här modellen erbjuder en förklaring.'
Tack vare denna senaste studie och den resulterande modellen den tillhandahåller om binär evolution, kommer astronomer att kunna förutsäga hur GRB-producerande stjärnor bör se ut när det gäller temperatur, ljusstyrka och egenskaperna hos deras följestjärna. När vi ser på framtiden hoppas Chimes och hennes kollegor kunna utforska och modellera övergående fenomen som förblir ett mysterium för astronomer.
Dessa inkluderar snabba radioskurar (FRB) och vad som orsakar dem (särskilt den upprepande varianten) eller ännu sällsynta händelser som omvandlingen av stjärnor till svarta hål. Studien som beskriver deras upptäckt dök upp i januarinumret av Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society och finansierades av Science and Technology Facilities Council på Storbritanniens forskning och innovation .
Vidare läsning: University of Warwick , MNRAS