Computersimulering kaster nyt lys over kolliderende stjerner

En hidtil uset detalje af eftervirkningerne af en kollision mellem to neutronstjerner afbildet i en 3-D computermodel skabt af en astrofysiker fra University of Alberta giver en bedre forståelse af, hvordan nogle af universets grundlæggende elementer dannes i kosmiske kollisioner.

"Kollisionen skaber tunge elementer, herunder guld og bly, " sagde Rodrigo Fernández, som arbejdede med et internationalt forskerhold, der brugte supercomputere ved U.S. National Energy Research Scientific Computing Center og data fra en kollisionsforskere opdaget i august 2017 - den første sådan kollision nogensinde observeret.

"Vi så også for første gang et gammastråleudbrud fra to neutronstjerner, der kolliderer. Der kommer en stor mængde videnskab ud af den opdagelse, " han tilføjede, herunder at hjælpe forskere med at beregne massen af ​​neutronstjernerne og endda bekræfte, hvor hurtigt universet udvider sig.

Neutronstjerner er de mindste og tætteste stjerner, at pakke mere masse end Jordens sol ind i et område på størrelse med en by. Når to af dem støder sammen, de smelter sammen i et lysglimt og affald kendt som en kilonova, som materiale eksploderer udad.

Indtil nu, computersimuleringer af kollisionerne har ikke været sofistikerede nok til at redegøre for, hvor alt det materiale ender.

For eksempel, den nye 3-D-model viser, at tilvækstskiven - samlingen af ​​rester, der kredser om den kombinerede stjerne - udstøder dobbelt så meget materiale og ved højere hastigheder sammenlignet med tidligere 2-D-modeller.

"Mens vores resultater ikke fuldt ud afstemmer alle uoverensstemmelser, de bringer tallene tættere på hinanden, " sagde Fernandez, tilføjer, at hans model giver en bedre forståelse af, hvordan tunge elementer skabes og kastes ud i rummet.

Ved at modellere følgerne af kollisionen så detaljeret, Fernández og holdet var også i stand til at redegøre for en anden måde, hvorpå stof udstødes fra kollisionen:på et astrofysisk jetfly, en smal fane af partikler og stråling skød ud med næsten lysets hastighed, da stjernerne stødte sammen. Strålen menes også at være kilden til gammastråleudbruddet.

"Det var forventet, at vi kunne finde jetfly, men det er første gang, vi har været i stand til at modellere dette i detaljer nok til at se denne effekt dukke op, " forklarede Fernandez.

At modellere begivenheden i 3-D var ingen nem opgave, han tilføjede. Selvom en neutronstjernekollision sker på blot millisekunder, accretion disken kan holde i sekunder. Dens dannelse involverer også kompleks fysik og mange fysiske processer, der alle sker på én gang, gør det langt sværere for computere at simulere.

"Blandt processerne på arbejdet, hovedsynderen er faktisk det magnetiske felt, der virker på sagen, " bemærkede Fernández. "Vi kender ligningerne, der beskriver den proces, men den eneste måde, hvorpå vi korrekt kan beskrive dem, er i 3D. Så, ikke kun skal du køre simuleringen i lang tid, du skal også modellere den i tre dimensioner, hvilket er beregningsmæssigt meget dyrt.

"Simulationens tekniske aspekter er imponerende fra et videnskabeligt synspunkt, fordi interaktionerne er så komplekse."

Studiet, "Langsigtede GRMHD-simuleringer af Neutron Star Merger Accretion Disks:Implikationer for elektromagnetiske modparter, " blev offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .