Forscher knacken den Code hinter den kosmischen Ebenen

Materieausflüsse werden als Jets in astronomischen Systemen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten beobachtet, die von schnell bis langsam reichen. Jets in Form von fließender Materie werden häufig in astronomischen Systemen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten beobachtet, die von schnell bis langsam reichen. Die schnellsten Flugzeuge sind stark relativistisch und können Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Obwohl es sich um ein weithin beobachtetes Phänomen handelt, bleiben der Ursprung dieser Jets und viele ihrer Eigenschaften ein Rätsel.

Die bimodale Verteilung der Flugzeuggeschwindigkeiten, einige unglaublich schnell, andere langsam, und ein bemerkenswertes Fehlen von Geschwindigkeiten dazwischen, waren Experten lange Zeit verblüfft. Forscher der Bar-Ilan-Universität haben die Daten jedoch erneut überprüft und es scheint, dass sie dieses verwirrende Rätsel endlich gelöst haben.

In vielen verschiedenen Galaxiensystemen und Extragalaxien wird die Emission von Materie üblicherweise in Form von Jets beobachtet. Die Geschwindigkeit, mit der diese Szene auftritt, ist sehr unterschiedlich. Neben den relativ langsamen Jets, die mit Neutronensternen oder Doppelsternsystemen assoziiert sind, werden sehr schnelle relativistische Jets mit Geschwindigkeiten sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit beobachtet. Die schnellsten bekannten Jets sind mit einem Phänomen verbunden, das als „Gammastrahlenausbrüche“ bekannt ist.

Dieses Phänomen ist durch einen anfänglichen Blitz von Gammastrahlen gekennzeichnet, der einige Sekunden dauert und in dem eine starke Emission von Gammastrahlung auftritt. Dann folgt ein „Nachglühen“, das viel länger als Stunden, Tage oder sogar Monate dauert. Während dieser Ära verblasst die Emission später und wird zu viel späteren Zeiten als niedrigere Wellenlängen, Röntgenstrahlen, ultraviolette, optische, infrarote und Radiofrequenzen beobachtet.

Abgesehen von der Frage, warum die Jets von diesen Objekten schneller werden, gibt es ein Rätsel, das nichts mit dem zu tun zu haben scheint, was während der Zwischenzeit von Hunderten bis Tausenden von Sekunden passiert, während der die Emission abklingt oder konstant bleibt. In einigen Fällen nimmt die Röntgenemission nach einigen zehn Sekunden exponentiell ab, wie man es von einer relativistischen Explosion erwarten würde, die mit der im interstellaren Raum der Galaxie vorhandenen Materie und Strahlung kollidiert.

In etwa 60 % der beobachteten Fälle lässt die sichtbare Emission jedoch nicht nach, sondern bleibt konstant. Diese Beobachtung hat die Forscher schon immer verwirrt, und seit der Entdeckung dieses Phänomens vor etwa 18 Jahren wurde keine überzeugende Erklärung dafür gefunden.

Forscher des Department of Physics der Bar-Ilan University haben nun gezeigt, dass diese permanente sichtbare Emission eine natürliche Folge der Geschwindigkeit des Jets ist, die viel geringer ist als allgemein angenommen und die Lücke zwischen den aus verschiedenen Quellen gemessenen Geschwindigkeiten füllt. Mit anderen Worten, die niedrigere anfängliche Strahlgeschwindigkeit könnte den fehlenden Zerfall und die ausgeprägtere und dauerhaftere Emission erklären.

Die Forscher zeigten, dass die bisherigen Ergebnisse, aus denen auf hohe Geschwindigkeiten in diesen Körpern geschlossen wurde, in diesen Fällen nicht gelten. Dabei veränderten sie das Modell und bewiesen, dass Flugzeuge in der Natur bei allen Geschwindigkeiten entstehen. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation Und der Herausgeber des Magazins wählte ihn zu einem der Top 50 kürzlich veröffentlichte Artikel.

Eine der wichtigsten offenen Fragen bei der Erforschung von Gammastrahlenausbrüchen ist, warum in einem so großen Teil der Fälle Röntgenstrahlen, die mehrere Tage lang sichtbar sind, lange nicht verblassen. Um diese Frage zu beantworten, machten sich die Forscher daran, die Daten sorgfältig zu kartieren, die zahlreich, aber verstreut und „verrauscht“ waren.

Nach einer umfassenden Literaturrecherche erstellten sie eine qualitativ hochwertige Datenstichprobe. Nach Prüfung von Erklärungen für das Phänomen in der vorhandenen Literatur stellten sie fest, dass ausnahmslos alle aktuellen Modelle zusätzliche Annahmen treffen, die durch die Daten nicht gestützt werden. Wichtiger ist, dass keines der Modelle eine überzeugende Erklärung für die sauberen Daten lieferte. Also gingen die Forscher zum Grundmodell zurück und versuchten zu verstehen, welche der Grundannahmen falsch ist.

Sie entdeckten, dass die Änderung nur einer Annahme über die Anfangsgeschwindigkeit der Flugzeuge ausreichte, um die Daten zu erklären. Die Forscher fuhren fort und untersuchten die Daten, die andere Astrophysiker zu dem Schluss führten, dass die Jets höchst relativistisch sein müssen (dh sich sehr nahe an Lichtgeschwindigkeit bewegen = extrem schnell), und entdeckten zu ihrer Überraschung und Freude, dass nichts davon Jets sollten hochgradig relativistisch sein. Die gefundenen Argumente waren in den untersuchten Fällen gültig. Von dort kamen sie schnell zu dem Schluss, dass sie höchstwahrscheinlich in die richtige Richtung gingen.

Professor Assaf Peer, der den theoretischen Teil dieser Forschung leitete, beschreibt sich selbst als Theoretiker, der gerne mit Daten arbeitet.

„Astrophysikalische Systeme sind im Allgemeinen sehr komplex, und theoretische Modelle, die einfacherer Natur sind, verfehlen oft wichtige Punkte“, erklärt er. „In vielen Fällen zeigt die genaue Prüfung der Daten, wie wir sie hier durchgeführt haben, dass bestehende Ideen einfach nicht funktionieren. Dies hat uns dazu veranlasst, auf neue Ideen zu kommen. Manchmal reicht die einfachste, am wenigsten komplexe Idee.“

Professor Beers Partner in dieser Forschung sind der Erstautor der Studie, Dr. Hussein Direli Beg, von der Bar-Ilan Research Group, und Professor Felix Reid, von der KTH Royal Institute of Technology in Stockholm. Während sich Beer auf die Theorie konzentrierte, konzentrierten sich seine Mitarbeiter auf die Analyse der Daten, die die von ihm vorgeschlagene Theorie motivierten und stützten.

„Wir haben einige Zeit gebraucht, um ein Verständnis zu entwickeln, und als mir klar wurde, dass es einen Standard im Ganzen gab, der geändert werden musste, funktionierte das Ganze wie ein Puzzle“, sagt Professor Beer. „So sehr, dass mir ab einem bestimmten Zeitpunkt jedes Mal, wenn wir ein neues potenzielles Problem ansprachen, klar war, dass die Daten zu unseren Gunsten ausfallen würden, und das war es auch.“

Astrophysikalische Forschung ist ihrem Wesen nach Grundlagenforschung. Wenn die Forscher tatsächlich Recht haben, haben die Ergebnisse weitreichende Auswirkungen, die zu einem Paradigmenwechsel auf diesem Gebiet sowie zum Verständnis der physikalischen Prozesse führen könnten, die Jets erzeugen. Es ist wichtig anzumerken, dass die Ursprünge dieses Phänomens noch nicht vollständig bekannt sind, aber es hängt eindeutig mit dem Kollaps eines Sterns (oder eines Sternpaars) zusammen[{“ attribute=““>black hole. The research results are very important in understanding these mechanisms, as well as the type of stars that end their lives in a way that produces strong gamma radiation.

“Scientific research is fascinating. New ideas are constantly born and tested. Since the data are often inconclusive, people often publish their ideas and move on,” says Prof. Pe’er. “Here was a unique case, in which, after examining many ideas, I suddenly realized that the explanation could be very simple. After I proposed the explanation, we checked it again and again against the existing data, and it passed test after test. So sometimes, the simplest explanation is also the most successful one.”

Reference: “A wind environment and Lorentz factors of tens explain gamma-ray bursts X-ray plateau” by Hüsne Dereli-Bégué, Asaf Pe’er, Felix Ryde, Samantha R. Oates, Bing Zhang and Maria G. Dainotti, 24 September 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-32881-1