Wetenschappers worden steeds beter in het modelleren van de complexe wirwar van natuurkundige eigenschappen die een rol spelen in een van de krachtigste gebeurtenissen in het bekende universum:de samensmelting van twee neutronensterren.

Neutronensterren zijn de snel draaiende, ultradichte schillen van grotere sterren die als supernova's explodeerden. Ze meten ongeveer 12 mijl in doorsnee, en een enkele theelepel neutronenstermaterie weegt maar liefst 1, 125 Golden Gate-bruggen, of 2, 735 Empire State-gebouwen.

Op 17 augustus 2017, wetenschappers observeerden een handtekening van zwaartekrachtsgolven - rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd - en ook een bijbehorende explosieve uitbarsting, bekend als een kilonova, die het best konden worden verklaard door de samensmelting van twee neutronensterren. En weer op 25 april, 2019, nog een waarschijnlijke neutronenster-fusiegebeurtenis, uitsluitend gebaseerd op een zwaartekrachtsgolfmeting.

Hoewel deze gebeurtenissen kunnen helpen bij het vergelijken en valideren van de natuurkundige modellen die onderzoekers ontwikkelen om te begrijpen wat er aan het werk is in deze fusies, onderzoekers moeten nog steeds in wezen vanaf nul beginnen om de juiste fysica in deze modellen in te bouwen.

In een studie gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society logboek, een team onder leiding van wetenschappers van de Northwestern University simuleerde de vorming van een schijf van materie, een gigantische uitbarsting van uitgeworpen materie, en het opstarten van energetische jets rond het resterende object - een grotere neutronenster of een zwart gat - in de nasleep van deze fusie.

Het team omvatte onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), UC Berkeley, de Universiteit van Alberta, en de Universiteit van New Hampshire.

Om het model realistischer te maken dan bij eerdere pogingen, het team bouwde drie afzonderlijke simulaties die verschillende geometrieën testten voor de krachtige magnetische velden rond de fusie.

"We gaan uit van een reeks fysieke principes, een berekening uitvoeren die niemand eerder op dit niveau heeft gedaan, en dan vragen, "Zijn we redelijk dicht bij waarnemingen of missen we iets belangrijks?", zei Rodrigo Fernández, een co-auteur van de nieuwste studie en een onderzoeker aan de Universiteit van Alberta.

De 3D-simulaties die ze uitvoerden, inclusief rekentijd bij Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), meer dan 6 miljoen uur aan CPU (computer processing unit) tijd.

De simulaties houden rekening met GRMHD-effecten (algemene relativistische magnetohydrodynamica), waaronder eigenschappen die verband houden met magnetische velden en vloeistofachtige materie, evenals de eigenschappen van materie en energie die met bijna de snelheid van het licht reizen. Onderzoekers merkten op dat de simulaties ook nuttig kunnen zijn bij het modelleren van de fusie van een zwart gat met een neutronenster.

Om de kilonova-uitbarstingen te simuleren - een gebeurtenis die elementen creëert waarvan wetenschappers denken dat het verantwoordelijk is voor het zaaien van ruimte met zware elementen - maakte het team schattingen van de totale uitgeworpen massa, zijn gemiddelde snelheid, en de samenstelling ervan.

"Met deze drie grootheden kan men inschatten of de lichtcurve de juiste helderheid zou hebben, kleur, en evolutietijd, ' zei Fernandez.

Er zijn twee algemene componenten van deze kilonova-uitbarstingen - de ene evolueert in de loop van dagen en wordt gekenmerkt door het kenmerkende blauwe frequentielicht dat het op zijn hoogtepunt afgeeft, en de andere duurt weken en heeft een bijbehorende kleurpiek van nabij-infrarood licht.

De nieuwste simulaties zijn ontworpen om deze blauwe en rode componenten van kilonovae te modelleren.

De simulaties helpen ook om de lancering van krachtige energiestralen te verklaren die naar buiten komen in de nasleep van de fusie, inclusief een "gestreept" karakter van de jets door de effecten van krachtige, wisselende magnetische velden. Deze jets kunnen worden waargenomen als een uitbarsting van gammastraling, net als bij het evenement van 2017.

Daniël Kasen, een wetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab en een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan UC Berkeley, zei, "Magnetische velden bieden een manier om de energie van een ronddraaiend zwart gat af te tappen en deze te gebruiken om gasstralen af ​​te schieten die zich met bijna de snelheid van het licht voortbewegen. Dergelijke stralen kunnen uitbarstingen van gammastraling produceren, evenals uitgebreide radio- en röntgenstraling, die allemaal werden gezien in de 2017 evenement."

Fernández erkende dat de simulaties nog niet precies de waarnemingen weerspiegelen - de simulaties toonden een lagere massa voor de blauwe kilonova-bijdrage in vergelijking met de rode - en dat betere modellen van de hyperzware neutronenster als gevolg van de fusie en van de overvloedige neutrino's - spookachtige deeltjes die onaangetast door de meeste soorten materie reizen - geassocieerd met de fusiegebeurtenis, zijn nodig om de modellen te verbeteren.

Het model profiteerde wel van modellen van de schijven van materie (accretieschijven) die rond zwarte gaten cirkelen, evenals modellen van neutrino-koeleigenschappen, het volume van neutronen en protonen geassocieerd met de fusiegebeurtenis, en het materie-creërende proces in verband met de kilonova.

Kasen merkte op dat computerbronnen bij Berkeley Lab "ons in de meest extreme omgevingen laten kijken - zoals deze turbulente draaikolk die buiten een nieuw geboren zwart gat klotst - en kijken en leren hoe de zware elementen werden gemaakt."

De simulaties suggereren dat de fusie van neutronensterren die in augustus 2017 werd waargenomen, waarschijnlijk geen zwart gat heeft gevormd in de onmiddellijke nasleep ervan. en dat de sterkste magnetische velden donutvormig waren. Ook, de simulaties kwamen grotendeels overeen met enkele al lang bestaande modellen voor vloeistofgedrag.