Ny forskning ser på neutronstjerneeksplosioner

Røntgenudbrud er højenergiske frigivelser af stråling fra neutronstjerners overflader, udløst af eksplosiv afbrænding af materiale ophobet på overfladen. Det er den samme type forbrænding, der sker i kernerne af almindelige stjerner som solen, men i dette tilfælde, sker på overfladen. Dermed, i modsætning til solen, hvor det tager hundredtusinder af år for denne stråling at slippe ud – og i en meget svagere form – sker det næsten øjeblikkeligt i et røntgenudbrud. Det betyder, at alt omkring neutronstjernen vil blive sprængt med stråling.

En ting, vi med sikkerhed ved omgiver mange neutronstjerner, er en tilvækstskive, en hvirvlende samling af plasma fanget i stjernens gravitationsfelt. Nye røntgeninstrumenter, såsom NICER-missionen ombord på den internationale rumstation, har givet astronomerne værktøjerne til at studere disse røntgenudbrud og deres virkninger på deres miljø i detaljer.

En grund til, at neutronstjerner er så vigtige for astrofysikere, er, at de repræsenterer den tætteste stoftilstand i vores univers. At forstå, hvordan stof opfører sig under disse forhold, er et vigtigt skridt til at låse op for mysterierne om subatomær fysik og ekstrem tyngdekraft. Forståelse af neutronstjerner, selvom, kræver forståelse for den stråling, vi modtager fra dem, og det betyder bidrag fra selve neutronstjernen og fra den omgivende skive.

Det er her ny forskning fra College of Charlestons fysik- og astronomiprofessor Chris Fragile og hans studerende kommer i spil. Fragiles gruppe udførte computersimuleringer, hvor de studerede interaktionerne mellem røntgenudbrud og accretion-diske. Som Fragile beskriver, "I bund og grund, vi kan modellere i en computer, med rimelig høj troskab, hvad der sker i disse systemer. Dette giver os mulighed for at lave noget som et traditionelt videnskabeligt eksperiment uden de iboende farer ved at have en neutronstjerne i vores laboratorium."

Flere simuleringer af sådanne burst-disk interaktioner blev udført ved hjælp af ressourcer på College of Charleston campus og gennem en XSEDE (Extreme Science and Engineering Discovery Environment) supercomputing allokering. Fra disse simuleringer blev mange bemærkelsesværdige resultater afsløret, især, en betydelig forstyrrelse af de indre dele af accretion disken. Flere af virkningerne afsløret i simuleringerne ser ud til at matche observationsbeviser for forstyrrede diske set af røntgenteleskoper i løbet af de sidste 15 år.

"Jeg var virkelig spændt på at se disse resultater, " siger Georgia Tech fysikprofessor David Ballantyne, en samarbejdspartner i dette arbejde. "Jeg har studeret disse systemer i over et årti, forsøger at forstå, hvad dataene fortæller os om, hvordan disse diske reagerer på bursts. Detaljerne afsløret af disse simuleringer åbner en helt ny måde at studere fysikken i accretion disks."

At se disken blive forstyrret af burst og derefter hoppe tilbage, mens burst falmer, giver en metode til at studere de interne processer, der får accretion til at fungere.

"Jeg kan godt lide at sige, at vi giver disken et kick og ser, hvad der sker, " forklarer Ballantyne. "Når vi ser, hvor hurtigt en disk reagerer på en så stærk impuls, kan vi kigge ind i dens indre. Det ligner, hvordan videnskabsmænd bruger jordskælv til at lære om Jordens indre."

Fremtidigt arbejde bør gøre det muligt for Ballantyne at skelne, hvad de strålingssignaturer af disse resultater ville være og komme med forudsigelser for fremtidige observationer. På denne måde holdet håber at være i stand til at reverse-engine, hvad der sker i rigtige neutronstjernesystemer og accretion diske.

Resultaterne af dette arbejde er offentliggjort den 6. januar, 2020, spørgsmål af Natur astronomi . Forfattere inkluderer Fragile, Ballantyne og College of Charleston-studerende Aidan Blankenship.