Forskere deltager i undersøgelse, der tilføjer nye detaljer til fusionsmodeller

Forskere bliver bedre til at modellere det komplekse virvar af fysikegenskaber, der er på spil i en af ​​de mest kraftfulde begivenheder i det kendte univers:sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner.

Neutronstjerner er de hurtige, ultratætte skaller af større stjerner, der eksploderede som supernovaer. De måler omkring 12 miles på tværs, og en enkelt teskefuld neutronstjernestof vejer så meget som 1, 125 Golden Gate broer, eller 2, 735 Empire State bygninger.

Den 17. aug. 2017, videnskabsmænd observerede en signatur af gravitationsbølger - krusninger i rum-tidens struktur - og også et tilhørende eksplosivt udbrud, kendt som en kilonova, som bedst kunne forklares ved sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner. Og igen den 25. april, 2019, en anden sandsynlig neutron-stjerne-fusion begivenhed, udelukkende baseret på en gravitationsbølgemåling.

Selvom disse begivenheder kan hjælpe med at sammenligne og validere de fysikmodeller, som forskere udvikler for at forstå, hvad der er på arbejde i disse fusioner, forskere skal stadig grundlæggende starte fra bunden for at bygge den rigtige fysik ind i disse modeller.

I en undersøgelse offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society tidsskrift, et hold ledet af forskere ved Northwestern University simulerede dannelsen af ​​en skive af stof, et kæmpe udbrud af udslynget stof, og opstarten af ​​energiske jetfly omkring det resterende objekt – enten en større neutronstjerne eller et sort hul – i kølvandet på denne fusion.

Holdet inkluderede forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Berkeley, University of Alberta, og University of New Hampshire.

For at gøre modellen mere realistisk end i tidligere bestræbelser, holdet byggede tre separate simuleringer, der testede forskellige geometrier for de kraftige magnetiske felter, der omkranser fusionen.

"Vi tager udgangspunkt i et sæt fysiske principper, at udføre en beregning, som ingen har lavet på dette niveau før, og så spørger "Er vi nogenlunde tæt på observationer, eller mangler vi noget vigtigt?" sagde Rodrigo Fernández, en medforfatter til den seneste undersøgelse og en forsker ved University of Alberta.

De 3-D simuleringer, de udførte, som inkluderede regnetid på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), involverede mere end 6 millioner timers CPU-tid (computerbehandlingsenhed).

Simuleringerne tager højde for GRMHD (generel relativistisk magnetohydrodynamik) effekter, som omfatter egenskaber forbundet med magnetiske felter og væskelignende stof, samt egenskaberne ved stof og energi, der rejser med næsten lysets hastighed. Forskere bemærkede, at simuleringerne også kunne vise sig nyttige til at modellere sammensmeltningen af ​​et sort hul med en neutronstjerne.

For at simulere kilonova-udbruddene - en elementskabende begivenhed, som forskerne mener er ansvarlig for at så plads med tunge elementer - lavede holdet estimater af dets samlede udstødte masse, dens gennemsnitlige hastighed, og dens sammensætning.

"Med disse tre størrelser kan man vurdere, om lyskurven ville have den rigtige lysstyrke, farve, og evolutionstid, " sagde Fernandez.

Der er to generaliserede komponenter i disse kilonova-udbrud - den ene udvikler sig i løbet af dagene og er karakteriseret ved det signaturlys med blå frekvens, som det afgiver på sit højeste, og den anden varer i uger og har en tilhørende farvetop af nær-infrarødt lys.

De seneste simuleringer er designet til at modellere disse blå og røde komponenter af kilonovaer.

Simuleringerne er også med til at forklare lanceringen af ​​kraftige energijetfly, der emanerer udad i fusionens efterdønninger, inklusive en "stribet" karakter af jetflyene på grund af virkningerne af kraftige, vekslende magnetiske felter. Disse stråler kan ses som et udbrud af gammastråler, som med arrangementet i 2017.

Daniel Kasen, en videnskabsmand i Nuclear Science Division ved Berkeley Lab og en lektor i fysik og astronomi ved UC Berkeley, sagde, "Magnetiske felter giver mulighed for at udnytte energien fra et roterende sort hul og bruge den til at skyde gasstråler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Sådanne stråler kan producere udbrud af gammastråler, samt udvidet radio- og røntgenstråling, som alle blev set i 2017-begivenheden."

Fernández erkendte, at simuleringerne ikke præcist spejler observationer endnu - simuleringerne viste en lavere masse for det blå kilonova-bidrag sammenlignet med det røde - og at bedre modeller af den hypermassive neutronstjerne, der er et resultat af fusionen og af de rigelige neutrinoer - spøgelsesagtige partikler at rejser gennem de fleste typer af stof upåvirket - forbundet med fusionsbegivenheden er nødvendige for at forbedre modellerne.

Modellen drager fordel af modeller af materieskiver (tilvækstskiver), der cirkler sorte huller, samt modeller af neutrino-kølende egenskaber, mængden af ​​neutroner og protoner forbundet med fusionsbegivenheden, og den stofskabende proces forbundet med kilonovaen.

Kasen bemærkede, at computerressourcer hos Berkeley Lab "lader os kigge ind i de mest ekstreme miljøer - som denne turbulente hvirvel, der skvulper uden for et nyfødt sort hul - og se og lære, hvordan de tunge elementer blev lavet."

Simuleringerne tyder på, at neutron-stjerne-fusionen observeret i august 2017 sandsynligvis ikke dannede et sort hul i dens umiddelbare eftervirkninger, og at de stærkeste magnetfelter var donutformede. Også, simuleringerne stemte stort set overens med nogle langvarige modeller for væskeadfærd.