El polvo de estrellas que cae, los chorros tambaleantes explican los estallidos de rayos gamma parpadeantes


Un equipo de astrofísicos dirigido por la Universidad de Northwestern ha desarrollado la primera simulación 3D completa de una evolución completa de un chorro formado por una estrella que colapsa, o un «colapsar».

Jet (en rojo) se tambalea dentro del colapsar antes de perforar la fotosfera. Crédito: Ore Gottlieb/Universidad de Northwestern

Debido a que estos chorros generan estallidos de rayos gamma (GRB), los eventos más energéticos y luminosos del universo desde el Big Bang, las simulaciones han arrojado luz sobre estos peculiares e intensos estallidos de luz. Sus nuevos hallazgos incluyen una explicación de la pregunta de larga data de por qué los GRB están misteriosamente interrumpidos por momentos de tranquilidad, parpadeando entre emisiones poderosas y una quietud inquietantemente tranquila. La nueva simulación también muestra que los GRB son incluso más raros de lo que se pensaba anteriormente.

El nuevo estudio se publicó el 29 de junio en Astrophysical Journal Letters. Marca la primera simulación 3D completa de la evolución completa de un chorro, desde su nacimiento cerca del agujero negro hasta su emisión después de escapar de la estrella que colapsa. El nuevo modelo también es la simulación de mayor resolución de un avión a gran escala.

«Estos chorros son los eventos más poderosos del universo», dijo Ore Gottlieb de Northwestern, quien dirigió el estudio. «Estudios anteriores han tratado de entender cómo funcionan, pero esos estudios estaban limitados por el poder computacional y tenían que incluir muchas suposiciones. Pudimos modelar la evolución completa del chorro desde el principio, desde su nacimiento por un agujero negro. sin suponer nada sobre la estructura del chorro. Seguimos el chorro desde el agujero negro hasta el sitio de emisión y encontramos procesos que se habían pasado por alto en estudios anteriores».

Gottlieb es miembro de Rothschild en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) de Northwestern. Fue coautor del artículo con el miembro de CIERA Sasha Tchekhovskoy, profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern.

Bamboleo extraño

Los GRB, el fenómeno más luminoso del universo, emergen cuando el núcleo de una estrella masiva colapsa bajo su propia gravedad para formar un agujero negro. A medida que el gas cae en el agujero negro giratorio, se energiza y lanza un chorro hacia la estrella que colapsa. El jet golpea la estrella hasta finalmente escapar de ella, acelerando a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Después de liberarse de la estrella, el chorro genera un GRB brillante.

«El chorro genera un GRB cuando alcanza unas 30 veces el tamaño de la estrella, o un millón de veces el tamaño del agujero negro», dijo Gottlieb. «En otras palabras, si el agujero negro es del tamaño de una pelota de playa, el chorro debe expandirse por todo el tamaño de Francia antes de que pueda producir un GRB».

Debido a la enormidad de esta escala, las simulaciones anteriores no han podido modelar la evolución completa del nacimiento del avión y su viaje posterior. Usando suposiciones, todos los estudios previos encontraron que el chorro se propaga a lo largo de un eje y nunca se desvía de ese eje.

Pero la simulación de Gottlieb mostró algo muy diferente. Cuando la estrella colapsa en un agujero negro, el material de esa estrella cae sobre el disco de gas magnetizado que gira alrededor del agujero negro. El material que cae hace que el disco se incline, lo que, a su vez, inclina el chorro. Mientras el jet lucha por realinearse con su trayectoria original, se tambalea dentro del colapsar.

Este bamboleo proporciona una nueva explicación de por qué parpadean los GRB. Durante los momentos de tranquilidad, el chorro no se detiene: sus rayos de emisión se alejan de la Tierra, por lo que los telescopios simplemente no pueden observarlo.

«La emisión de GRB siempre es irregular», dijo Gottlieb. «Vemos picos en la emisión y luego un tiempo de reposo que dura unos segundos o más. La duración total de un GRB es de aproximadamente un minuto, por lo que estos tiempos de reposo son una fracción no despreciable de la duración total. Los modelos anteriores no eran capaz de explicar de dónde venían estos tiempos de reposo. Este bamboleo naturalmente da una explicación a ese fenómeno. Observamos el chorro cuando apunta hacia nosotros. Pero cuando el chorro se tambalea para apuntar lejos de nosotros, no podemos ver su emisión. Esto es parte de la teoría de la relatividad de Einstein».

Raro se vuelve más raro

Estos chorros tambaleantes también brindan nuevos conocimientos sobre la tasa y la naturaleza de los GRB. Aunque estudios previos estimaron que alrededor del 1% de los colapsares producen GRB, Gottlieb cree que los GRB en realidad son mucho más raros.

Visualización en 3D de la propagación del chorro y una vista de primer plano de la inclinación del disco del colapsar, lo que hace que los chorros se tambaleen. Crédito: Ore Gottlieb/Universidad de Northwestern

Si el chorro estuviera obligado a moverse a lo largo de un eje, solo cubriría una fina porción del cielo, lo que limitaría la probabilidad de observarlo. Pero la naturaleza tambaleante del chorro significa que los astrofísicos pueden observar los GRB en diferentes orientaciones, lo que aumenta la probabilidad de detectarlos. Según los cálculos de Gottlieb, los GRB son 10 veces más observables de lo que se pensaba anteriormente, lo que significa que a los astrofísicos les faltan 10 veces menos GRB de lo que se pensaba anteriormente.

«La idea es que observemos los GRB en el cielo en una determinada tasa, y queremos aprender sobre la verdadera tasa de GRB en el universo», explicó Gottlieb. «Las tasas observadas y reales son diferentes porque solo podemos ver los GRB que nos apuntan. Eso significa que debemos suponer algo sobre el ángulo que estos chorros cubren en el cielo, para inferir la tasa real de GRB. Eso es, qué fracción de GRB nos falta. El bamboleo aumenta la cantidad de GRB detectables, por lo que la corrección de la tasa observada a la verdadera es menor. Si perdemos menos GRB, entonces hay menos GRB en general en el cielo».

Una vista de primer plano del disco (en naranja) inclinándose, lo que hace que los chorros (en púrpura) se tambaleen. Crédito: Ore Gottlieb/Universidad de Northwestern

Si esto es cierto, postula Gottlieb, entonces la mayoría de los jets no logran lanzarse o nunca logran escapar del colapsar para producir un GRB. En cambio, permanecen enterrados en el interior.

energía mixta

Las nuevas simulaciones también revelaron que parte de la energía magnética de los chorros se convierte parcialmente en energía térmica. Esto sugiere que el jet tiene una composición híbrida de energías magnéticas y térmicas, que producen el GRB. En un gran paso adelante en la comprensión de los mecanismos que alimentan los GRB, esta es la primera vez que los investigadores infieren la composición del chorro de los GRB en el momento de la emisión.

«Estudiar los chorros nos permite ‘ver’ lo que sucede en el interior de la estrella a medida que colapsa», dijo Gottlieb. «De lo contrario, es difícil saber qué sucede en una estrella colapsada porque la luz no puede escapar del interior estelar. Pero podemos aprender de la emisión del chorro: la historia del chorro y la información que lleva de los sistemas que los lanzan».

El mayor avance de la nueva simulación radica en parte en su poder computacional. Usando el código «H-AMR» en supercomputadoras en Oak Ridge Leadership Computing Facility en Oak Ridge, Tennessee, los investigadores desarrollaron la nueva simulación, que utiliza unidades de procesamiento gráfico (GPU) en lugar de unidades de procesamiento central (CPU). Extremadamente eficientes en la manipulación de gráficos de computadora y procesamiento de imágenes, las GPU aceleran la creación de imágenes en una pantalla.

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