研究者は宇宙面の背後にあるコードを解読します

ガンマ線バースト (GRB) は、最も相対論的なジェットを含むことが知られており、素数ローレンツ因子は数百のオーダーです。 多くの GRB は初期の X 線光度曲線プラトーを示しますが、これは理論的には予想されていなかったため、長年にわたってコミュニティを困惑させていました。

物質の流出は、速いものから遅いものまで、さまざまな速度の天文系のジェットとして観察されます。 流れる物質の形をしたジェットは、速いものから遅いものまでさまざまな速度で天文系で一般的に観察されます。 最速の航空機は非常に相対論的であり、光速に近い速度に達することができます。 広く観察されている現象ですが、これらのジェットの起源とその特徴の多くは謎のままです。

長い間、専門家は航空機の速度が二峰性に分布していることに困惑していました。信じられないほど速いものもあれば遅いものもあり、その間に速度が著しく存在しませんでした。 しかし、Bar-Ilan 大学の研究者はデータを再考し、最終的にこの不可解な謎を解決したようです。

多くの異なる銀河系や銀河系外で、物質の放出は一般にジェットの形で観察されます。 このシーンが発生する速度は大きく異なります。 中性子星や連星系に関連する比較的遅いジェットに加えて、非常に高速な相対論的ジェットが光速に非常に近い速度で見られます。 既知の最速のジェットは、「ガンマ線バースト」として知られる現象に関連しています。

この現象は、ガンマ線の強い放射が現れる数秒間続くガンマ線の最初の閃光によって特徴付けられます。 その後、数時間、数日、さらには数か月よりもはるかに長い「余韻」が続きます。 この時代には、放出は後で衰退し、より低い波長、X 線、紫外線、光、赤外線、および無線周波数として観測されます。

これらの天体からのジェットがなぜ加速するのかという問題を超えて、数百秒から数千秒の中間の期間に何が起こるかとは無関係に思われる謎があります。 場合によっては、銀河の星間空間に存在する物質および放射線と衝突する相対論的爆発から予想されるように、数十秒後に X 線放射が指数関数的に減衰します。

ただし、観測されたケースの約 60% では、可視放射は減衰せず、むしろ一定のままです。 この観察結果は常に研究者の混乱の原因であり、約 18 年前にこの現象が発見されて以来、説得力のある説明は見つかっていません。

Bar-Ilan 大学の物理学科の研究者は、この恒久的な可視放出がジェットの速度の自然な結果であり、一般に想定されているよりもはるかに低く、さまざまなソースから測定された速度の間のギャップを埋めることを実証しました。 言い換えれば、ジェットの初期速度が低いことが、減衰の欠如と、より顕著で耐久性のある放出を説明する可能性があります。

研究者は、これらの体で高速が推定された以前の結果は、これらの場合には有効ではないことを示しました。 そうすることで、彼らはモデルを変更し、あらゆる速度で飛行機が自然界で形成されることを証明しました。 研究は雑誌に掲載されました ネイチャー・コミュニケーションズ そしてその雑誌の編集者は彼を 最近公開された上位 50 の記事.

ガンマ線バーストの研究における主な未解決の問題の 1 つは、なぜこのような大部分のケースで、数日間見られる X 線が長時間消えないのかということです。 この質問に答えるために、研究者はデータを慎重にマッピングすることに着手しました。データは多数ありますが、散らばっており、「ノイズが多い」ものでした。

徹底的な文献検索の後、彼らは高品質のデータ サンプルを作成しました。 既存の文献でこの現象の説明を調べた後、彼らは現在のすべてのモデルが、例外なく、データによってサポートされていない追加の仮定を行っていることを発見しました。 さらに重要なことは、どのモデルもクリーンなデータについて説得力のある説明を提供しなかったことです。 そこで、研究者は基本モデルに戻り、どの基本仮定が間違っているかを理解しようとしました。

彼らは、飛行機の初速度に関する 1 つの仮定を変更するだけで、データを説明するのに十分であることを発見しました。 研究者たちは続けて、他の天体物理学者がジェットは非常に相対論的である (つまり、光速に非常に近い速度で移動する = 非常に速い) にちがいないと結論付けたデータを調べたところ、驚きと喜びのうちに、ジェットは高度に相対論的でなければなりません。 見つかった引数は、彼らが調査したケースで有効でした。 そこから、彼らはすぐに、正しい方向に進んでいる可能性が最も高いと結論付けました.

この研究の理論的な部分を主導した Assaf Peer 教授は、自分自身をデータを扱うことを楽しむ理論家だと説明しています。

「天体物理システムは一般的に非常に複雑であり、本質的に単純な理論モデルは重要なポイントを見逃していることがよくあります」と彼は説明します。 「多くの場合、ここで行ったように、データを綿密に調べると、既存のアイデアはまったく機能しないことがわかります。これが、私たちが新しいアイデアを思いつくきっかけとなったものです。時には、最も単純で単純なアイデアで十分です。」

この研究における Beer 教授のパートナーは、この研究の第一著者である Bar-Ilan Research Group の Hussein Direli Beg 博士と、ストックホルムの KTH Royal Institute of Technology の Felix Reid 教授です。 Beer は理論に焦点を当てていましたが、彼の共同研究者は、彼が提案した理論を動機づけ、支持するデータの分析に焦点を当てていました。

「理解を深めるのに少し時間がかかりましたが、変更が必要な標準が全体で 1 つあることに気付いた後、すべてがパズルのように機能しました」と Beer 教授は言います。 「ある時点から、新しい潜在的な問題を提起するたびに、データが有利になることは明らかでした。実際、そうでした。」

天体物理学の研究は、その性質上、基礎研究です。 研究者が本当に正しければ、この発見は、ジェットを生成する物理プロセスの理解だけでなく、この分野のパラダイムシフトにつながる可能性のある広範囲にわたる意味を持ちます. この現象の起源はまだ完全にはわかっていませんが、星 (または星のペア) の崩壊に明らかに関連していることに注意することが重要です。[{” 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