Als twee neutronensterren tegen elkaar botsen, het resultaat is soms een zwart gat dat alles opslokt, behalve het zwaartekrachtbewijs van de botsing. Echter, in een reeks simulaties, een internationaal team van onderzoekers, waaronder een wetenschapper uit Penn State, heeft vastgesteld dat deze typisch stille botsingen soms veel luidruchtiger kunnen zijn, althans in termen van straling die we op aarde kunnen detecteren.

"Als twee ongelooflijk dichte ingestorte neutronensterren samen een zwart gat vormen, sterke zwaartekrachtsgolven komen voort uit de impact, " zei David Radice, assistent-professor natuurkunde en astronomie en astrofysica aan Penn State en lid van het onderzoeksteam. "We kunnen deze golven nu oppikken met detectoren zoals LIGO in de Verenigde Staten en Virgo in Italië. Een zwart gat slikt typisch alle andere straling op die uit de fusie zou kunnen komen en die we op aarde zouden kunnen detecteren, maar door onze simulaties, we ontdekten dat dit misschien niet altijd het geval is."

Het onderzoeksteam ontdekte dat wanneer de massa's van de twee botsende neutronensterren genoeg verschillend zijn, de grotere metgezel scheurt de kleinere uit elkaar. Dit veroorzaakt een langzamere samensmelting waardoor een elektromagnetische "knal" kan ontsnappen. Astronomen zouden dit elektromagnetische signaal moeten kunnen detecteren, en de simulaties bieden handtekeningen van deze luidruchtige botsingen waar astronomen vanaf de aarde naar zouden kunnen zoeken.

Het onderzoeksteam, waaronder leden van het internationale samenwerkingsverband CoRe (Computational Relativity), hun bevindingen beschrijven in een paper die online verschijnt in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

"Onlangs, LIGO kondigde de ontdekking aan van een fusiegebeurtenis waarbij de twee sterren mogelijk zeer verschillende massa's hebben, " zei Radice. "De belangrijkste consequentie in dit scenario is dat we deze zeer karakteristieke elektromagnetische tegenhanger van het zwaartekrachtgolfsignaal verwachten."

Na het melden van de eerste detectie van een fusie van neutronensterren in 2017, in 2019, het LIGO-team meldde de tweede, die ze GW190425 noemden. Het resultaat van de botsing van 2017 was ongeveer wat astronomen verwachtten, met een totale massa van ongeveer 2,7 keer de massa van onze zon en elk van de twee neutronensterren ongeveer gelijk in massa. Maar GW190425 was veel zwaarder, met een gecombineerde massa van ongeveer 3,5 zonsmassa's en de verhouding van de twee deelnemers meer ongelijk - mogelijk zo hoog als 2 tot 1.

"Hoewel een verschil van 2 op 1 in massa misschien niet zo'n groot verschil lijkt, slechts een klein bereik van massa's is mogelijk voor neutronensterren, ' zei Radice.

Neutronensterren kunnen alleen bestaan ​​in een smal bereik van massa's tussen ongeveer 1,2 en 3 keer de massa van onze zon. Lichtere stellaire overblijfselen storten niet in om neutronensterren te vormen, maar vormen in plaats daarvan witte dwergen. terwijl zwaardere objecten direct instorten om zwarte gaten te vormen. Als het verschil tussen de samensmeltende sterren zo groot wordt als in GW190425, wetenschappers vermoedden dat de fusie rommeliger zou kunnen zijn - en luider in elektromagnetische straling. Astronomen hadden zo'n signaal niet gedetecteerd vanaf de locatie van GW190425, maar de dekking van dat deel van de hemel door conventionele telescopen die dag was niet goed genoeg om het uit te sluiten.

Om het fenomeen van ongelijke botsende neutronensterren te begrijpen, en om handtekeningen van dergelijke botsingen te voorspellen waar astronomen naar zouden kunnen zoeken, het onderzoeksteam voerde een reeks simulaties uit met behulp van het Bridges-platform van Pittsburgh Supercomputing Center en het Comet-platform van het San Diego Supercomputer Center - beide in het XSEDE-netwerk van supercomputercentra en computers van de National Science Foundation - en andere supercomputers.

De onderzoekers ontdekten dat terwijl de twee gesimuleerde neutronensterren naar elkaar toe spiraalden, de zwaartekracht van de grotere ster scheurde zijn partner uit elkaar. Dat betekende dat de kleinere neutronenster zijn zwaardere metgezel niet in één keer raakte. De eerste storting van de materie van de kleinere ster veranderde de grotere in een zwart gat. Maar de rest van zijn materie was te ver weg om het zwarte gat onmiddellijk te kunnen vastleggen. In plaats daarvan, de langzamere regen van materie in het zwarte gat creëerde een flits van elektromagnetische straling.

Het onderzoeksteam hoopt dat de gesimuleerde signatuur die ze hebben gevonden, astronomen kan helpen bij het gebruik van een combinatie van zwaartekrachtgolfdetectoren en conventionele telescopen om de gepaarde signalen te detecteren die het uiteenvallen van een kleinere neutronenster zouden aankondigen die samensmelt met een grotere.

De simulaties vereisten een ongebruikelijke combinatie van rekensnelheid, enorme hoeveelheden geheugen, en flexibiliteit bij het verplaatsen van gegevens tussen geheugen en berekening. Het team gebruikte ongeveer 500 rekenkernen, weken achtereen rennen, meer dan ongeveer 20 afzonderlijke gevallen. De vele fysieke grootheden waarmee bij elke berekening rekening moest worden gehouden, vereisten ongeveer 100 keer zoveel geheugen als een typische astrofysische simulatie.

"Er is veel onzekerheid over de eigenschappen van neutronensterren, " zei Radice. "Om ze te begrijpen, we moeten veel mogelijke modellen simuleren om te zien welke compatibel zijn met astronomische waarnemingen. Een enkele simulatie van één model zou ons niet veel vertellen; we moeten een groot aantal redelijk rekenintensieve simulaties uitvoeren. We hebben een combinatie van hoge capaciteit en hoge capaciteit nodig die alleen machines als Bridges kunnen bieden. Dit werk zou niet mogelijk zijn geweest zonder toegang tot dergelijke nationale supercomputerbronnen."