Modellering af sammensmeltningen af ​​et sort hul med en neutronstjerne og den efterfølgende proces i en enkelt simulering

Ved hjælp af supercomputerberegninger viser forskere ved Max Planck Institute for Gravitational Physics i Potsdam og fra Japan for første gang et konsistent billede:De modellerede hele processen med kollisionen mellem et sort hul og en neutronstjerne. I deres undersøgelser har de beregnet processen fra de endelige baner gennem fusionen til fasen efter fusionen, hvor der ifølge deres beregninger kan forekomme højenergiske gammastråleudbrud. Resultaterne af deres undersøgelser er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Physical Review D .

Næsten syv år er gået siden den første påvisning af gravitationsbølger. Den 14. september 2015 optog LIGO-detektorerne i USA signalet fra to sammensmeltede sorte huller fra rummets dybder. Siden da er i alt 90 signaler blevet observeret:fra binære systemer med to sorte huller eller neutronstjerner, og også fra blandede binære. Hvis mindst én neutronstjerne er involveret i fusionen, er der en chance for, at ikke kun gravitationsbølgedetektorer vil observere begivenheden, men også teleskoper i det elektromagnetiske spektrum.

Da to neutronstjerner smeltede sammen i begivenheden opdaget den 17. august 2017 (GW170817), observerede omkring 70 teleskoper på Jorden og i rummet de elektromagnetiske signaler. I de to fusioner af neutronstjerner med sorte huller, der hidtil er observeret (GW200105 og GW200115), blev der ikke påvist elektromagnetiske modstykker til gravitationsbølgerne. Men når flere sådanne hændelser måles med de stadig mere følsomme detektorer, forventer forskerne også her elektromagnetiske observationer. Under og efter fusionen udstødes stof fra systemet, og der genereres elektromagnetisk stråling. Dette giver sandsynligvis også korte gammastråleudbrud, som observeret af rumteleskoper.

Til deres undersøgelse valgte forskerne to forskellige modelsystemer bestående af et roterende sort hul og en neutronstjerne. Masserne af det sorte hul blev sat til henholdsvis 5,4 og 8,1 solmasser, og neutronstjernens masse blev sat til 1,35 solmasser. Disse parametre blev valgt således, at neutronstjernen kunne forventes at blive revet fra hinanden af ​​tidevandskræfter.

"Vi får indsigt i en proces, der varer et til to sekunder - det lyder kort, men der sker faktisk meget i løbet af den tid:fra de endelige baner og forstyrrelsen af ​​neutronstjernen af ​​tidevandskræfterne, udstødningen af ​​stof, til dannelsen af ​​en tilvækstskive omkring det spirende sorte hul og yderligere udstødning af stof i et jetfly," siger Masaru Shibata, direktør for afdelingen for beregningsrelativistisk astrofysik ved Max Planck Institute for Gravitational Physics i Potsdam. "Denne højenergistråle er sandsynligvis også en årsag til korte gammastråleudbrud, hvis oprindelse stadig er mystisk. Simuleringsresultaterne indikerer også, at det udstødte stof burde syntetisere tunge grundstoffer som guld og platin."

Hvad sker der under og efter fusionen?

Simuleringerne viser, at neutronstjernen under fusionsprocessen bliver revet fra hinanden af ​​tidevandskræfter. Omkring 80 % af neutronstjernestoffet falder ned i det sorte hul inden for få millisekunder, hvilket øger dets masse med omkring en solmasse. I de efterfølgende omkring 10 millisekunder danner neutronstjernestoffet en enarmet spiralstruktur. En del af stoffet i spiralarmen udstødes fra systemet, mens resten (0,2-0,3 solmasser) danner en tilvækstskive omkring det sorte hul. Når tilvækstskiven falder ned i det sorte hul efter fusionen, forårsager dette en fokuseret jetlignende strøm af elektromagnetisk stråling, som i sidste ende kan producere et kort gammastråleudbrud.

Sekunderlange simuleringer

Det tog afdelingens klyngecomputer "Sakura" omkring 2 måneder at løse Einsteins ligninger for processen, der tager omkring to sekunder. "Sådanne generelle relativistiske simuleringer er meget tidskrævende. Derfor har forskningsgrupper rundt om i verden indtil videre kun fokuseret på korte simuleringer," forklarer Dr. Kenta Kiuchi, gruppeleder i Shibatas afdeling, som udviklede koden. "I modsætning hertil giver en ende-til-ende-simulering, som den vi nu har udført for første gang, et selvkonsistent billede af hele processen for givne binære startbetingelser, der er defineret én gang i begyndelsen."

Kun med så lange simuleringer kan forskerne desuden udforske genereringsmekanismen for korte gammastråleudbrud, som typisk varer et til to sekunder.

Shibata og forskerne i hans afdeling arbejder allerede på lignende, men endnu mere komplekse numeriske simuleringer for konsekvent at modellere kollisionen mellem to neutronstjerner og fasen efter fusionen. + Udforsk yderligere

Sorte huller og neutronstjerner smelter uset sammen i tætte stjernehobe