Les scientifiques du RIKEN Cluster for Pioneering Research et leurs collaborateurs ont utilisé des simulations pour montrer que les photons émis par les longs sursauts gamma, parmi les événements les plus énergiques de l'univers, proviennent de la photosphère - la partie visible du "jet relativiste" qui est émis par l'explosion des étoiles.

Les sursauts gamma sont le phénomène électromagnétique le plus puissant observé dans l'univers, libérant autant d'énergie en une seconde environ que le soleil en libérera pendant toute sa durée de vie. Bien qu'ils aient été découverts en 1967, le mécanisme derrière cette énorme libération d'énergie est longtemps resté mystérieux. Des décennies d'études ont finalement révélé qu'un type appelé sursauts longs provient de jets de matière relativistes éjectés lors de la mort d'étoiles massives. Cependant, Comment exactement les rayons gamma sont produits par les jets est encore inconnu.

Les recherches en cours, Publié dans Communication Nature , a commencé à partir d'une découverte appelée la relation Yonetoku, qui a été à l'origine fait par l'un des auteurs de l'article. Cette relation entre l'énergie spectrale maximale et la luminosité maximale des GRB est la corrélation la plus étroite trouvée jusqu'à présent dans les propriétés de l'émission GRB. Il fournit ainsi le meilleur diagnostic à ce jour pour expliquer le mécanisme d'émission, et le test le plus strict pour tout modèle de sursauts gamma. Incidemment, la relation signifiait également que de longs sursauts de rayons gamma pouvaient être utilisés comme "bougie standard" pour mesurer la distance, permettant aux astronomes de scruter plus loin dans le passé que les supernovae de type 1A, qui sont couramment utilisés aujourd'hui, mais sont beaucoup plus faibles. Cela permettrait de mieux comprendre l'histoire de l'univers, et pourrait produire des informations sur des mystères tels que la matière noire et l'énergie noire.

A l'aide de simulations informatiques réalisées sur plusieurs supercalculateurs, dont Aterui de l'Observatoire astronomique national du Japon, Hokusai de RIKEN, et Cray xc40 du Yukawa Institute for Theoretical Physics, le groupe s'est concentré sur le modèle dit « d'émission photosphérique », l'un des principaux modèles pour le mécanisme d'émission des GRB. Ce modèle postule que les photons visibles sur terre sont émis par la photosphère du jet relativiste. Au fur et à mesure que le jet se dilate, il devient plus facile pour les photons de s'échapper de l'intérieur, car il y a moins d'objets disponibles pour diffuser la lumière. Ainsi, la "densité critique" - l'endroit où il devient possible pour les photons de s'échapper - se déplace vers le bas à travers le jet jusqu'à la matière qui était à l'origine à des densités de plus en plus élevées.

Pour tester la validité du modèle, l'équipe a entrepris de le tester d'une manière qui tienne compte de la dynamique globale des jets relativistes et du transfert de rayonnement. En utilisant une combinaison de simulations hydrodynamiques relativistes tridimensionnelles et de calculs de transfert de rayonnement pour évaluer les émissions photosphériques d'un jet relativiste sortant d'une enveloppe d'étoile massive, ils ont pu déterminer qu'au moins dans le cas des GRB longs – le type associé à de telles étoiles massives en effondrement – ​​le modèle fonctionnait. Leurs simulations ont révélé que la relation de Yonetoku pouvait être reproduite comme une conséquence naturelle des interactions jet-stellaire. "À nous, " déclare Hirotaka Ito du Cluster for Pioneering Research, "Cela suggère fortement que l'émission photosphérique est le mécanisme d'émission des GRB."

Il continue, "Alors que nous avons élucidé l'origine des photons, il y a encore des mystères concernant la façon dont les jets relativistes eux-mêmes sont générés par les étoiles qui s'effondrent. Nos calculs devraient fournir des informations précieuses pour examiner le mécanisme fondamental derrière la génération de ces événements extrêmement puissants. »