1967 märkte NASA-forskare något de aldrig sett förut från det djupa rymden. I det som har blivit känt som "Vela Incident", registrerade flera satelliter en Gamma-Ray Burst (GRB) som var så ljus, det överträffade kort galaxen. Med tanke på deras fantastiska kraft och den kortlivade naturen har astronomer varit ivriga att bestämma hur och varför dessa skurar äger rum.
Observations decennier har lett till slutsatsen att dessa explosioner inträffar när en massiv stjärna går supernova, men astronomer var fortfarande osäkra på varför det hände i vissa fall och inte andra. Tack vare ny forskning från ett team från University of Warwick verkar det som att nyckeln till att producera GRB ligger hos binära stjärnsystem - dvs. en stjärna behöver en följeslagare för att producera den ljusaste explosionen i universum.
Forskningsteamet ansvarigt för upptäckten leddes av Ashley Chrimes - en doktorsexamen. student vid University of Warwick Department of Physics. För studiens skull behandlade teamet det centrala mysteriet om långvariga GRB: er, vilket är hur stjärnor kan spinnas upp tillräckligt snabbt för att generera den typ av explosioner som har observerats.
För att uttrycka det kortfattat inträffar GRB när massiva stjärnor (ungefär tio gånger storleken på vår sol) går supernova och kollapsar i en neutronstjärna eller svart hål. Under processen blåses stjärnens yttre skikt av och det utkastade materialet plattas ner i en skiva runt den nybildade resten för att bevara vinkelmomentet. När detta material faller inåt lanserar detta momentum det i form av strålar som härstammar från polerna.
Dessa är kända som "relativistiska jetplan" på grund av att materialet i dem påskyndas för att stänga ljusets hastighet. Medan GRB: er är de ljusaste händelserna i universum, kan de bara observeras från jorden när en av deras polära axlar riktas direkt mot oss - vilket innebär att astronomer bara kan se cirka 10-20% av dem. De är också mycket korta när astronomiska fenomen går, varar var som helst från en bråkdel av sekunder till flera minuter.
Dessutom måste en stjärna snurra extremt snabbt för att lansera material längs sina polära axlar nära ljusets hastighet. Detta representerar ett förhållande för astronomer eftersom stjärnor vanligtvis förlorar alla snurrar de får mycket snabbt. För att ta itu med dessa olösta frågor förlitade teamet sig på en samling av stjärnmodeller för att undersöka hur stora stjärnor uppträder 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 befolkning på tusentals stjärnsystem för att identifiera mekanismen varigenom de sällsynta explosioner som producerar GRB kan uppstå.
Från detta kunde forskarna begränsa de faktorer som får relativistiska jetflygningar att bildas från några kollapsande stjärnor. Vad de fann var att tidvatteneffekter, liknande det som inträffar mellan jorden och månen, var den enda troliga förklaringen. Med andra ord, långvariga GRB förekommer i binära stjärnsystem där stjärnor är låsta i varandra i sin snurr, vilket skapar en kraftfull tidvatteneffekt som påskyndar deras rotation.
Som Chrimes förklarade i ett nyligen pressmeddelande från Warwick:
”Vi förutspår vilken typ av stjärnor eller system som producerar gammastrålar, 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 snurr över tid. Vi fann att effekten av en stjärnvattenflöde på sin partner hindrar dem från att sakta ner, och i vissa fall snurrar de upp dem. De stjäl rotationsenergi från sin följeslagare, en följd av att de sedan driver längre bort.
“Det 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 en medförfattare till studien - påpekade, är binär evolution knappast ny för astronomer. De beräkningar som utförts av Chrimes och hennes kollegor har emellertid aldrig gjorts tidigare på grund av de komplicerade beräkningarna. Följaktligen är denna studie den första som överväger de fysiska mekanismerna som arbetar inom binära modeller.
"Det har också varit ett stort dilemma över metalliciteten hos stjärnor som producerar gammastrålar," sade hon. "Som astronomer mäter vi sammansättningen av stjärnor och den dominerande vägen för gammastrålningsutbrott kräver mycket få järnatomer eller andra tunga element i den stellar atmosfären. Det har funnits ett pussel över varför vi ser en mängd olika kompositioner i stjärnorna som producerar gammastrålar, och den här modellen ger en förklaring. "
Tack vare den senaste studien och den resulterande modellen som den tillhandahåller om binär evolution, kommer astronomer att kunna förutsäga hur GRB-producerande stjärnor ska se ut när det gäller temperatur, ljusstyrka och egenskaperna hos deras följeslagare. Med tanke på framtiden hoppas Chimes och hennes kollegor att utforska och modellera övergående fenomen som förblir ett mysterium för astronomer.
Dessa inkluderar Fast Radio Bursts (FRB) och vad som orsakar dem (särskilt den upprepande sorten) eller till och med sällsynta händelser som omvandlingen av stjärnor till svarta hål. Studien som beskriver deras upptäckt dök upp i januari-numret av Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society och finansierades av Science and Technology Facility Council vid UK Research and Innovation.
