Nye simuleringer kan hjælpe i jagten på massive fusioner af neutronstjerner, sorte huller

Nu hvor videnskabsmænd kan opdage de slingrende forvrængninger i rumtiden skabt af sammensmeltningen af ​​massive sorte huller, de retter blikket mod dynamikken og eftervirkningerne af andre kosmiske duoer, der forenes i katastrofale kollisioner.

At arbejde med et internationalt team, forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet nye computermodeller til at udforske, hvad der sker, når et sort hul forbindes med en neutronstjerne - den supertætte rest af en eksploderet stjerne.

Brug af supercomputere til at rive neutronstjerner op

Simuleringerne, udført delvist på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), er beregnet til at hjælpe detektorer med at komme ind på gravitationsbølgesignalerne. Teleskoper, også, kan søge efter de strålende udbrud af gammastråler og gløden fra det radioaktive stof, som disse eksotiske begivenheder kan spy ud i det omgivende rum.

I separate artikler udgivet i en specialudgave af det videnskabelige tidsskrift Klassisk og kvantetyngdekraft , Berkeley Lab og andre forskere præsenterer resultaterne af detaljerede simuleringer.

En af undersøgelserne modellerer de første millisekunder (tusindedele af et sekund) i fusionen af ​​et sort hul og neutronstjerne, og de andre detaljer adskiller simuleringer, der modellerer dannelsen af ​​en skive af materiale dannet inden for sekunder efter fusionen, og af udviklingen af ​​stof, der udskydes i fusionen.

Det udstødte stof inkluderer sandsynligvis guld og platin og en række radioaktive grundstoffer, der er tungere end jern.

Enhver ny informationsforskere kan indsamle om, hvordan neutronstjerner rives fra hinanden i disse fusioner, kan hjælpe med at låse deres hemmeligheder op, da deres indre struktur og deres sandsynlige rolle i at så universet med tunge elementer stadig er indhyllet i mystik.

"Vi tilføjer støt mere realistisk fysik til simuleringerne, " sagde - Foucart, der fungerede som hovedforfatter for et af studierne som postdoktor i Berkeley Labs Nuclear Science Division.

"Men vi ved stadig ikke, hvad der sker inde i neutronstjerner. Den komplicerede fysik, som vi skal modellere, gør simuleringerne meget beregningsintensive."

Finder tegn på en sort hul-neutronstjernefusion

Foucart, som snart bliver adjunkt ved University of New Hampshire, tilføjet, "Vi forsøger at bevæge os mere i retning af faktisk at lave modeller af gravitationsbølgesignalerne produceret af disse fusioner, "som skaber en rislen i rum-tid, som forskere håber kan opdages med forbedringer i følsomheden af ​​eksperimenter, herunder Advanced LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

I februar 2016 LIGO-forskere bekræftede den første påvisning af en gravitationsbølge, menes at være genereret af sammensmeltningen af ​​to sorte huller, hver med masser omkring 30 gange større end solen.

Signalerne fra en neutronstjerne, der smelter sammen med sorte huller eller en anden neutronstjerne, forventes at generere gravitationsbølger, der er lidt svagere, men ligner dem, der er i sort hul-sort hul fusioner, sagde Foucart.

Radioaktivt 'affald' i rummet

Daniel Kasen, en videnskabsmand i Nuclear Science Division ved Berkeley Lab og lektor i fysik og astronomi ved UC Berkeley, som deltog i forskningen, sagde, at inde i neutronstjerner "kan der være eksotiske tilstande af stof ulig noget, der er realiseret andre steder i universet."

I nogle computersimuleringer blev neutronstjernerne slugt hele af det sorte hul, mens der i andre var en brøkdel af stof hostet op i rummet. Dette udslyngede stof anslås at variere op til omkring en tiendedel af solens masse.

Mens meget af sagen bliver suget ind i det større sorte hul, der dannes ved fusionen, "det materiale, der bliver smidt ud, bliver til en slags radioaktivt "affald, "" sagde han. "Du kan se den radioaktive glød af det materiale i en periode på dage eller uger, fra mere end hundrede millioner lysår væk." Forskere omtaler denne observerbare radioaktive glød som en "kilonova."

Simuleringerne bruger forskellige sæt af beregninger til at hjælpe videnskabsmænd med at visualisere, hvordan stof undslipper fra disse fusioner. Ved at modellere hastigheden, bane, mængde og type af stof, og endda farven på det lys, det afgiver, astrofysikere kan lære at spore faktiske begivenheder.

Neutronstjernernes underlige verden

Størrelsesområdet for neutronstjerner er sat af den ultimative grænse for, hvor tæt stof kan komprimeres, og neutronstjerner er blandt de mest supertætte objekter, vi kender til i universet.

Neutronstjerner er blevet observeret at have masser op til mindst to gange vores sols, men måler kun omkring 12 miles i diameter, gennemsnitlig, mens vores egen sol har en diameter på omkring 865, 000 miles. Ved store nok masser, måske omkring tre gange solens masse, forskere forventer, at neutronstjerner skal kollapse for at danne sorte huller.

En kubikcentimeter stof fra en neutronstjerne anslås at veje op til 10 milliarder tons. Som deres navn antyder, neutronstjerner menes at være sammensat hovedsageligt af de neutralt ladede subatomære partikler kaldet neutroner, og nogle modeller forventer, at de indeholder lange stofstrenge - kendt som "kernepasta" - dannet af atomkerner, der binder sammen.

Neutronstjerner forventes også at være næsten perfekt sfæriske, med en stiv og utrolig glat skorpe og et ultrastærkt magnetfelt. De kan spinde med en hastighed på omkring 43, 000 omdrejninger i minuttet (RPM), eller omkring fem gange hurtigere end en NASCAR racerbils motors omdrejninger.

Eftervirkningerne af neutronstjernefusioner

Forskernes simuleringer viste, at det radioaktive stof, der først undslipper de sorte huls fusioner, kan rejse med hastigheder på omkring 20, 000 til 60, 000 miles i sekundet, eller op til omkring en tredjedel af lysets hastighed, da den er svinget væk i en lang "tidevandshale".

"Dette ville være mærkeligt materiale, der er fyldt med neutroner, " sagde Kasen. "Når det ekspanderende materiale afkøles og dekomprimeres, partiklerne kan muligvis kombineres for at bygge op til de tungeste grundstoffer." Denne seneste forskning viser, hvordan videnskabsmænd kan finde disse lyse bundter af tunge grundstoffer.

"Hvis vi kan følge op på LIGO-detektioner med teleskoper og fange en radioaktiv glød, vi kan endelig være vidne til fødestedet for de tungeste elementer i universet, " sagde han. "Det ville besvare et af de længste spørgsmål inden for astrofysik."

Det meste af stoffet i en sort hul-neutronstjernefusion forventes at blive suget op af det sorte hul inden for et millisekund efter fusionen, og andet stof, der ikke slynges væk i fusionen, vil sandsynligvis danne en ekstremt tæt, tynd, doughnut-formet glorie af stof.

Den tynde, varm skive af stof, der er bundet af det sorte hul, forventes at dannes inden for omkring 10 millisekunder efter fusionen, og at blive koncentreret inden for omkring 15 til 70 miles fra det, simuleringerne viste. Disse første 10 millisekunder ser ud til at være nøglen i den langsigtede udvikling af disse diske.

Over tidsskalaer fra snesevis af millisekunder til flere sekunder, den varme disk spreder sig og sender mere stof ud i rummet. "En række fysiske processer - fra magnetiske felter til partikelinteraktioner og nukleare reaktioner - kombineres på komplekse måder for at drive udviklingen af ​​disken, " sagde Rodrigo Fernández, en assisterende professor i fysik ved University of Alberta i Canada, der ledede et af studierne.

Simuleringer udført på NERSCs Edison-supercomputer var afgørende for at forstå, hvordan disken skubber stof ud, og for at give ledetråde til, hvordan man observerer denne sag, sagde Fernandez, en tidligere UC Berkeley postdoc-forsker.

Hvad er det næste?

Til sidst, det kan være muligt for astronomer, der scanner nattehimlen, for at finde "nålen i en høstak" af radioaktive kilonovaer fra neutronstjernefusioner, som var blevet savnet i LIGO-dataene, sagde Kasen.

"Med forbedrede modeller, vi er bedre i stand til at fortælle observatørerne præcis, hvilke lysglimt der er de signaler, de leder efter, " sagde han. Kasen arbejder også på at bygge stadig mere sofistikerede modeller af neutronstjernefusioner og supernovaer gennem sit engagement i DOE Exascale Computing Project.

Efterhånden som følsomheden af ​​gravitationsbølgedetektorer forbedres, Foucart sagde, det kan være muligt at detektere et kontinuerligt signal produceret af selv et lille bump på overfladen af ​​en neutronstjerne, for eksempel, eller signaler fra teoretiserede endimensionelle objekter kendt som kosmiske strenge.

"Dette kunne også give os mulighed for at observere begivenheder, som vi ikke engang har forestillet os, " han sagde.