Relativistische Jets von Kollapsaren und Gammastrahlenausbrüche
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Relativistische Jets von Kollapsaren und Gammastrahlenausbrüche |
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Gammastrahlenblitze (kurz GRB) sind kurze Ausbrüche von Gammastrahlung, die von Bruchteilen einer Sekunde bis zu mehreren hundert Sekunden dauern können. Neuere Beobachtungen haben gezeigt, dass sich die Quellen der GRBs in kosmologischer Entfernung befinden und dass die abgestrahlte Gamma-Energie bis zu 1054erg betragen kann. Damit sind die hellsten GRBs für die Dauer des Ausbruchs heller als alle Sterne im Universum. Zur Erklärung von GRBs wurden verschiedene katastrophale Kollapsvorgänge vorschlagen. Bei einem dieser Vorgänge, dem Kollapsar (der Name stammt von Stan Woosley), wird der GRB dadurch verursacht, dass ähnlich wie in einer Supernova der Zentralbereich eines rotierenden, massereichen Sterns implodiert. Im Zentrum des Sterns bildet sich ein rotierendes Schwarzes Loch, das durch Aufsaugen der restlichen Sternmaterie beständig an Masse zunimmt. Über einen komplizierten Prozess führt die dabei freiwerdende Gravitationsbindungsenergie zu einer extremen Energiekonzentration in der Nähe der Rotationsachse etwas ausserhalb des Schwarzen Lochs. Dadurch wiederum entsteht eine stark gebündelte relativistische Ausströmung, ein Jet, entlang der Rotationsachse. Ein Kollapsar führt zu einem Supernova-ähnlichen Ereignis, da der relativistische Jet nicht nur einen GRB verursacht, sondern auch eine Explosion des Sterns bewirkt.
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Abbildung 1: Lorentzfaktor etwa 1.8 s nachdem der Stoß die Sternoberfläche erreicht hat. Ein Lorentzfaktor von 10 entspricht einer Geschwindigekeit von 99.5% der Lichtgeschwindigkeit. Die Längenangaben an den Achsen sind Einheiten von 100,000 km. Die gestrichelten und durchgezogen halbkreisförmigen Linien markieren die Sternoberfläche und den äußernen Rand der den Stern umgebenden Sternatmosphäre. Innerhalb der anderen durchgezogenen Linie befindet sich Materie, deren Geschwindigekeit größer als 0.3c (c ist die Lichtgeschwindigkeit) ist und deren innere Energiedichte einen Wert von 5% der Ruhemassendichte übersteigt. |
Astrophysiker am MPA haben kürzlich zusammen mit Kollegen von der Universität von Valencia in Spanien und von der Universität von Kalifornien in Santa Cruz die ersten mehrdimensionalen Simulationen relativistischer Jets von Kollapsaren durchgeführt. Ihre Simulationen zeigen, dass in der Tat ein solcher relativistischer Jet entsteht, der nach mehr als 200,000 Kilometern unversehrt die Oberfläche des Sterns erreicht, und der Stern dabei explodiert. Außerhalb des Sterns beschleunigt der Jet erheblich und beginnt sich auch seitlich auszubreiten, wodurch sich eine pilzförmige Blase bildet (Fig.1).
Der Jet weist einen sehr kleinen Öffnungswinkel (ca. 8 Grad) auf und besitzt einen extrem gut kollimierten (ca 1 Grad), ultra-relativistischen Kern, in dem Geschwindigkeiten von 99.97% der Lichtgeschwindigkeit etwa 2 s nach dem Ausbruch erreicht werden (Fig.1). Im Falle einer größeren Energiedeposition ist der Jet und insbesondere der ihn umgebende Kokon, ein Gebiet turbulenter Strömung, weniger gut kollimiert, da ein stärker angetriebener Jet auch mehr zur Seite expandiert (Fig.2). Aufgrund der starken Bündelung der Strömung wird ein Beobachter, der einen Kollapsar nahezu entlang der Rotationsachse beobachtet, einen wesentlich helleren GRB sehen, als wenn die Energie in alle Winkelrichtungen gleichmäßig abgestrahlt würde.
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Abbildung 2: Ruhemassendichte für ein Model mit einer konstanten Energiedepositionsrate von 1051 erg/s (oben) und von 1050 erg/s (unten) etwa 1.8 s nachdem der Stoß die Sternoberfläche erreicht hat. Die Längenangaben an den Achsen sind in Einheiten von Zentimetern. |
Am Ende der Simulationen hat der Jet einen Radius erreicht, der immer noch etwa tausendmal kleiner ist als die Entfernung, wo der Feuerball optisch transparent wird. Zur Bestimmung der beobachtbaren Eigenschaften des Gammasblitzes muss man die zeitliche Entwicklung des Jets wesentlich länger verfolgen.
Miguel Angel Aloy,
Ewald Müller
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