Ulige neutronstjerne-fusioner skaber unikt brag i simuleringer

Når to neutronstjerner slår sammen, resultatet er nogle gange et sort hul, der sluger alt undtagen gravitationsbeviset for kollisionen. Imidlertid, i en række simuleringer, et internationalt team af forskere, herunder en videnskabsmand fra Penn State, fastslog, at disse typisk stille - i det mindste med hensyn til stråling, vi kan registrere på Jorden - kan kollisioner nogle gange være langt mere støjende.

"Når to utrolig tætte kollapsede neutronstjerner kombineres og danner et sort hul, stærke gravitationsbølger kommer frem fra sammenstødet, " sagde David Radice, assisterende professor i fysik og i astronomi og astrofysik ved Penn State og medlem af forskerholdet. "Vi kan nu opfange disse bølger ved hjælp af detektorer som LIGO i USA og Jomfruen i Italien. Et sort hul sluger typisk enhver anden stråling, der kunne være kommet ud af fusionen, som vi ville være i stand til at detektere på Jorden. men gennem vores simuleringer, vi fandt ud af, at det måske ikke altid er tilfældet."

Forskerholdet fandt ud af, at når masserne af de to kolliderende neutronstjerner er forskellige nok, den større ledsager river den mindre fra hinanden. Dette forårsager en langsommere fusion, der tillader et elektromagnetisk "bang" at undslippe. Astronomer burde være i stand til at detektere dette elektromagnetiske signal, og simuleringerne giver signaturer af disse støjende kollisioner, som astronomer kunne lede efter fra Jorden.

Forskerholdet, som omfatter medlemmer af det internationale samarbejde CoRe (Computational Relativity), beskriv deres resultater i et papir, der vises online i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

"For nylig, LIGO annoncerede opdagelsen af ​​en fusionsbegivenhed, hvor de to stjerner muligvis har meget forskellige masser, " sagde Radice. "Den vigtigste konsekvens i dette scenarie er, at vi forventer denne meget karakteristiske elektromagnetiske pendant til gravitationsbølgesignalet."

Efter at have rapporteret den første påvisning af en neutronstjerne-fusion i 2017, i 2019, LIGO-holdet rapporterede den anden, som de kaldte GW190425. Resultatet af 2017-kollisionen handlede om, hvad astronomer forventede, med en samlet masse på omkring 2,7 gange vores sols masse og hver af de to neutronstjerner omtrent lige store. Men GW190425 var meget tungere, med en samlet masse på omkring 3,5 solmasser og forholdet mellem de to deltagere mere ulige - muligvis så højt som 2 til 1.

"Mens en forskel på 2 til 1 i masse måske ikke virker som en stor forskel, kun et lille område af masser er muligt for neutronstjerner, " sagde Radice.

Neutronstjerner kan kun eksistere i et snævert område af masser mellem omkring 1,2 og 3 gange vores sols masse. Lettere stjernerester kollapser ikke for at danne neutronstjerner og danner i stedet hvide dværge, mens tungere genstande kollapser direkte for at danne sorte huller. Når forskellen mellem de fusionerende stjerner bliver så stor som i GW190425, videnskabsmænd havde mistanke om, at fusionen kunne være mere rodet - og højere i elektromagnetisk stråling. Astronomer havde ikke opdaget noget sådant signal fra GW190425's placering, men dækning af det område af himlen med konventionelle teleskoper den dag var ikke god nok til at udelukke det.

For at forstå fænomenet med ulige neutronstjerner, der kolliderer, og at forudsige signaturer af sådanne kollisioner, som astronomer kunne lede efter, forskerholdet kørte en række simuleringer ved hjælp af Pittsburgh Supercomputing Centers Bridges-platform og San Diego Supercomputer Centers Comet-platform – begge i National Science Foundations XSEDE-netværk af supercomputing-centre og computere – og andre supercomputere.

Forskerne fandt ud af, at da de to simulerede neutronstjerner spiralerede ind mod hinanden, den større stjernes tyngdekraft rev dens partner fra hinanden. Det betød, at den mindre neutronstjerne ikke ramte sin mere massive følgesvend på én gang. Den første dump af den mindre stjernes stof forvandlede den større til et sort hul. Men resten af ​​dens sag var for langt væk til, at det sorte hul kunne fange med det samme. I stedet, den langsommere regn af stof ind i det sorte hul skabte et glimt af elektromagnetisk stråling.

Forskerholdet håber, at den simulerede signatur, de fandt, kan hjælpe astronomer ved at bruge en kombination af gravitationsbølgedetektorer og konventionelle teleskoper til at detektere de parrede signaler, der ville varsle opbruddet af en mindre neutronstjerne, der smelter sammen med en større.

Simuleringerne krævede en usædvanlig kombination af computerhastighed, enorme mængder hukommelse, og fleksibilitet til at flytte data mellem hukommelse og beregning. Holdet brugte omkring 500 computerkerner, kører i uger ad gangen, over omkring 20 separate tilfælde. De mange fysiske størrelser, der skulle tages højde for i hver beregning, krævede omkring 100 gange så meget hukommelse som en typisk astrofysisk simulering.

"Der er meget usikkerhed omkring neutronstjernernes egenskaber, sagde Radice. For at forstå dem, vi er nødt til at simulere mange mulige modeller for at se, hvilke der er kompatible med astronomiske observationer. En enkelt simulering af én model ville ikke fortælle os meget; vi skal udføre et stort antal temmelig beregningsintensive simuleringer. Vi har brug for en kombination af høj kapacitet og høj kapacitet, som kun maskiner som Bridges kan tilbyde. Dette arbejde ville ikke have været muligt uden adgang til sådanne nationale supercomputerressourcer."