In 1967 merkten NASA-wetenschappers iets op dat ze nog nooit eerder uit de verre ruimte hadden gezien. In wat bekend is komen te staan als het "Vela-incident", registreerden meerdere satellieten een Gamma-Ray Burst (GRB) die zo helder was dat het de hele melkweg kort overtrof. Gezien hun ontzagwekkende kracht en de kortstondige aard, hebben astronomen graag willen bepalen hoe en waarom deze uitbarstingen plaatsvinden.
Tientallen jaren van observatie hebben tot de conclusie geleid dat deze explosies plaatsvinden wanneer een massieve ster supernova wordt, maar astronomen wisten nog steeds niet waarom dit in sommige gevallen gebeurde en in andere niet. Dankzij nieuw onderzoek door een team van de University of Warwick, lijkt het erop dat de sleutel voor het produceren van GRB's ligt bij dubbelstersystemen - d.w.z. een ster heeft een metgezel nodig om de helderste explosie in het heelal te produceren.
Het onderzoeksteam dat verantwoordelijk was voor de ontdekking werd geleid door Ashley Chrimes - een Ph.D. student aan de University of Warwick Department of Physics. Omwille van hun studie heeft het team het centrale mysterie over GRB's van lange duur behandeld, en zo kunnen sterren snel genoeg worden rondgedraaid om het soort explosies te genereren dat is waargenomen.
Om het kort te zeggen: GRB's treden op wanneer massieve sterren (ongeveer tien keer zo groot als onze zon) supernova worden en ineenstorten in een neutronenster of een zwart gat. Daarbij worden de buitenste lagen van de ster weggeblazen en valt het uitgeworpen materiaal plat in een schijf rond het nieuw gevormde overblijfsel om het impulsmoment te behouden. Als dit materiaal naar binnen valt, lanceert dit momentum het in de vorm van stralen die uit de polen komen.
Deze staan bekend als "relativistische jets" vanwege de manier waarop materiaal erin wordt versneld om de lichtsnelheid te sluiten. Hoewel GRB's de helderste gebeurtenissen in het heelal zijn, zijn ze alleen vanaf de aarde waarneembaar wanneer een van hun polaire assen rechtstreeks op ons is gericht - wat betekent dat astronomen slechts ongeveer 10-20% van hen kunnen zien. Ze zijn ook erg kort als astronomische verschijnselen gaan en duren van een fractie van een seconde tot enkele minuten.
Bovendien moet een ster extreem snel ronddraaien om materiaal te kunnen lanceren langs de polaire assen met bijna de lichtsnelheid. Dit is een raadsel voor astronomen, aangezien sterren gewoonlijk elke spin verliezen die ze heel snel verwerven. Om deze onopgeloste vragen te beantwoorden, vertrouwde het team op een verzameling stellaire evolutiemodellen om het gedrag van massieve sterren bij het instorten te onderzoeken.
Deze modellen zijn gemaakt door Dr. Jan J. Eldridge van de Universiteit van Auckland, Nieuw-Zeeland, met de hulp van onderzoekers van de University of Warwick. Gecombineerd met een techniek die bekend staat als binaire populatiesynthese, simuleerden de wetenschappers een populatie van duizenden sterrenstelsels om het mechanisme te identificeren waardoor de zeldzame explosies die GRB's produceren, kunnen plaatsvinden.
Hieruit konden de onderzoekers de factoren beperken die ervoor zorgen dat relativistische stralen worden gevormd door enkele instortende sterren. Wat ze ontdekten was dat getijdeneffecten, vergelijkbaar met wat er tussen de aarde en de maan gebeurt, de enige waarschijnlijke verklaring waren. Met andere woorden, GRB's met een lange duur komen voor in dubbelstersystemen waar sterren in hun spin aan elkaar vast zitten, waardoor een krachtig getijdeneffect ontstaat dat hun rotatie versnelt.
Zoals Chrimes uitlegde in een recent persbericht van Warwick:
'We voorspellen wat voor soort sterren of systemen gammaflitsen produceren, de grootste explosies in het heelal. Tot nu toe was het onduidelijk wat voor soort sterren of binaire systemen je nodig hebt om dat resultaat te produceren.
“De vraag was hoe een ster begint te draaien of in de loop van de tijd blijft draaien. We ontdekten dat het effect van de getijden van een ster op zijn partner ervoor zorgt dat ze niet vertragen en, in sommige gevallen, ze op gang brengt. Ze stelen rotatie-energie van hun metgezel, met als gevolg dat ze dan verder weg drijven.
“Wat we hebben vastgesteld, is dat de meeste sterren snel ronddraaien, juist omdat ze zich in een binair systeem bevinden. "
Zoals Dr. Elizabeth Stanway - een onderzoeker bij de University of Warwick Department of Physics en een co-auteur van de studie - opmerkte, is binaire evolutie nauwelijks nieuw voor astronomen. Het soort berekeningen dat Chrimes en haar collega's hebben uitgevoerd, is echter nog nooit eerder gedaan vanwege de ingewikkelde berekeningen. Daarom is deze studie de eerste die de fysieke mechanismen binnen binaire modellen in overweging neemt.
"Er is ook een groot dilemma geweest over de metalliciteit van sterren die gammaflitsen produceren", zei ze. “Als astronomen meten we de samenstelling van sterren en de dominante route voor gammastraaluitbarstingen vereist heel weinig ijzeratomen of andere zware elementen in de stellaire atmosfeer. Er is een puzzel over waarom we verschillende composities in de sterren zien die gammaflitsen produceren, en dit model biedt een verklaring. "
Dankzij deze laatste studie en het resulterende model dat het biedt over binaire evolutie, zullen astronomen kunnen voorspellen hoe GRB-producerende sterren eruit zouden moeten zien in termen van temperatuur, helderheid en de eigenschappen van hun begeleidende ster. Kijkend naar de toekomst hopen Chimes en haar collega's voorbijgaande fenomenen te verkennen en te modelleren die een mysterie blijven voor astronomen.
Deze omvatten Fast Radio Bursts (FRB's) en wat de oorzaak is (vooral de herhalende variëteit) of zelfs zeldzamere gebeurtenissen zoals de transformatie van sterren in zwarte gaten. De studie die hun bevindingen beschrijft, verscheen in het januarinummer van de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society en werd gefinancierd door de Science and Technology Facilities Council van UK Research and Innovation.
