W 2022 roku astronomowie z Uniwersytetu Northwestern wykazali na bazie obserwacji, że długie rozbłyski promieniowania gamma mogą być emitowane w procesie łączenia się gwiazdy neutronowej z inną gwiazdą neutronową lub z czarną dziurą. Wcześniej środowisko astronomów przyjmowało, że jest to niemożliwe.
Teraz jednak zupełnie inny zespół naukowców z tego samego uniwersytetu w nowym artykule opublikowanym w periodyku The Astrophysical Journal podjął się próby wyjaśnienia zaskakująco jasnego rozbłysku z grudnia 2021 roku.
W tym celu naukowcy najpierw opracowali numeryczną symulację ewolucji dżetu materii emitowanego w procesie łączenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową, a następnie ustalili, że powstająca w takim procesie czarna dziura wciąż może emitować dżet materii ze skonsumowanej gwiazdy neutronowej. Czy do tego dojdzie, czy też nie zależy bezpośrednio od masy dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę i od siły pola magnetycznego tego dysku.
Czytaj także: Najjaśniejszy rozbłysk gamma w historii. Raz na tysiąc lat to dużo
Co do zasady, jeżeli masywny dysk akrecyjny posiada silne pole magnetyczne, czarna dziura jest w stanie wyemitować krótki i ekstremalnie jasny dżet materii. Kiedy jednak dysk jest masywny, ale ma słabe pole magnetyczne, czarna dziura wciąż emituje ekstremalnie jasny dżet, ale jest on znacznie dłuższy, dokładnie tak jak miało to miejsce w przypadku GRB211211A obserwowanego w grudniu 2021 roku.
Wychodzi zatem na to, że rozbłysk promieniowania gamma obserwowany niemal dwa lata temu został wyemitowany w procesie łączenia gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. W takim zdarzeniu emitowane jest jednocześnie promieniowanie elektromagnetyczne, ale też i fale grawitacyjne. Niestety z tego samego powodu, oraz z powodu odległości i skali czasowej, bardzo trudno odtworzyć je w symulacjach. Opisywana tutaj praca jest pierwszą udaną próbą stworzenia numerycznego modelu całego procesu łączenia gwiazdy neutronowej z innym obiektem kompaktowym.
Rozbłysk gamma GRB211211A
Gdy został dostrzeżony przez astronomów w grudniu 2021 roku, astronomowie uznali, że to tylko kolejny 50-sekundowy rozbłysk, jakie obserwuje się w przypadku kolapsu masywnej gwiazdy. Szybko jednak zauważyli, że po rozbłysku przez długi czas widoczna jest interesująca poświata. Dopiero wtedy udało się ustalić, że źródłem rozbłysku jest eksplozja kilonowej, do której dochodzi w procesie łączenia gwiazdy neutronowej z inną gwiazdą tego typu lub z czarną dziurą. Zaskoczenie było spore, bowiem wcześniej uważano, że długie rozbłyski promieniowania gamma emitowane są wyłącznie w eksplozjach supernowych. Środowisko astronomów niemal natychmiast postanowiło ważniej przyjrzeć się długotrwałym rozbłyskom gamma, które mogły mieć takie samo źródło.
Naukowcy postanowili przeanalizować cały proces łączenia dwóch obiektów kompaktowych. Nigdy wcześniej nie stworzono modelu takiego zdarzenia, bowiem jest on niezwykle skomplikowany obliczeniowo. Aby nieco uprościć cały proces, symulację podzielono na dwie fazy: przed połączeniem i po połączeniu gwiazd. Następnie dwie części ze sobą połączono.
Symulacja wykazała, że w procesie łączenia gwiazdy neutronowej i czarnej dziury powstaje bardziej masywna czarna dziura. Część gwiazdy neutronowej od razu wpada do czarnej dziury, a część w formie strumienia odłamków tworzy na krótki czas (rzędu sekund) dysk akrecyjny wokół niej. Szczątki gwiazdy neutronowej o masie ok. 10 proc. masy Słońca opadając z dysku za horyzont zdarzeń, prowokują ją do emisji silnego dżetu materii uciekającego z biegunów czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła.
Gdy w toku modelowania astronomowie testowali różne wartości różnych parametrów, dostrzegli, że silne pole magnetyczne dysku akrecyjnego sprawia, że czarna dziura emituje krótki (krótszy niż 2 sekundy), niezwykle jasny rozbłysk gamma. Gdy jednak dysk akrecyjny ma słabe pole magnetyczne, rozbłysk gamma jest długi i idealnie pasuje do obserwowanego w grudniu 2021 roku.
Choć zagadka rozbłysku GRB211211A została w dużej mierze rozwiązana, naukowcy jeszcze nie kończą pracy. Autorzy opracowania aktualnie planują zwiększyć precyzję swojej symulacji, m.in. dodając do niej proces ochładzania neutrinami, który może mieć istotny wpływ na dynamikę całego procesu. Wyniki tych prac mogą przybliżyć nam skład chemiczny materii emitowanej w dżecie.