Nu wetenschappers de kronkelige vervormingen in de ruimte-tijd kunnen detecteren die zijn ontstaan ​​door de samensmelting van massieve zwarte gaten, ze richten hun blik op de dynamiek en de nasleep van andere kosmische duo's die zich verenigen in catastrofale botsingen.

Werken met een internationaal team, wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben nieuwe computermodellen ontwikkeld om te onderzoeken wat er gebeurt als een zwart gat samenkomt met een neutronenster - het superdichte overblijfsel van een geëxplodeerde ster.

Supercomputers gebruiken om neutronensterren open te scheuren

De simulaties, gedeeltelijk uitgevoerd in Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), zijn bedoeld om detectoren te helpen zich te concentreren op de zwaartekrachtsgolfsignalen. telescopen, te, kan zoeken naar de schitterende uitbarstingen van gammastraling en de gloed van de radioactieve materie die deze exotische gebeurtenissen in de omringende ruimte kunnen spuwen.

In aparte artikelen gepubliceerd in een speciale editie van het wetenschappelijke tijdschrift Klassieke en kwantumzwaartekracht , Berkeley Lab en andere onderzoekers presenteren de resultaten van gedetailleerde simulaties.

Een van de studies modelleert de eerste milliseconden (duizendsten van een seconde) in de samensmelting van een zwart gat en een neutronenster, en de andere details afzonderlijke simulaties die de vorming van een schijf van materiaal modelleren die binnen enkele seconden na de fusie is gevormd, en van de evolutie van de materie die wordt uitgeworpen in de fusie.

Die uitgestoten materie omvat waarschijnlijk goud en platina en een reeks radioactieve elementen die zwaarder zijn dan ijzer.

Alle nieuwe informatiewetenschappers die kunnen verzamelen over hoe neutronensterren uit elkaar scheuren in deze fusies, kunnen helpen hun geheimen te ontrafelen, omdat hun innerlijke structuur en hun waarschijnlijke rol bij het bezaaien van het universum met zware elementen nog steeds in mysterie gehuld zijn.

"We voegen gestaag meer realistische fysica toe aan de simulaties, " zei - Foucart, die als hoofdauteur voor een van de onderzoeken diende als postdoctoraal onderzoeker in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab.

"Maar we weten nog steeds niet wat er in neutronensterren gebeurt. De gecompliceerde fysica die we moeten modelleren, maakt de simulaties erg rekenintensief."

Tekenen vinden van een samensmelting van een zwart gat en een neutronenster

Foucart, die binnenkort assistent-professor wordt aan de Universiteit van New Hampshire, toegevoegd, "We proberen meer te bewegen in de richting van het daadwerkelijk maken van modellen van de zwaartekrachtgolfsignalen die door deze fusies worden geproduceerd, " die een rimpeling in de ruimte-tijd creëren waarvan onderzoekers hopen dat ze kunnen worden gedetecteerd met verbeteringen in de gevoeligheid van experimenten, waaronder Advanced LIGO, de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

In februari 2016, Wetenschappers van LIGO bevestigden de eerste detectie van een zwaartekrachtgolf, vermoedelijk ontstaan ​​door de samensmelting van twee zwarte gaten, elk met een massa die ongeveer 30 keer groter is dan de zon.

De signalen van een neutronenster die samensmelt met zwarte gaten of een andere neutronenster zullen naar verwachting zwaartekrachtgolven genereren die iets zwakker zijn, maar vergelijkbaar zijn met die van zwart gat-zwart gat fusies, zei Foucart.

Radioactief 'afval' in de ruimte

Daniël Kasen, een wetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab en universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de UC Berkeley die deelnamen aan het onderzoek, zei dat er binnen neutronensterren "exotische toestanden van materie kunnen zijn die nergens anders in het universum worden gerealiseerd."

In sommige computersimulaties werden de neutronensterren in hun geheel opgeslokt door het zwarte gat, terwijl in andere een fractie van de materie de ruimte in werd opgehoest. Deze uitgestoten materie wordt geschat op ongeveer een tiende van de massa van de zon.

Terwijl veel van de materie in het grotere zwarte gat wordt gezogen dat ontstaat door de fusie, "het materiaal dat eruit wordt geslingerd verandert uiteindelijk in een soort radioactief 'afval', '" zei hij. "Je kunt de radioactieve gloed van dat materiaal gedurende een periode van dagen of weken zien, van meer dan honderd miljoen lichtjaren verwijderd." Wetenschappers noemen deze waarneembare radioactieve gloed een "kilonova".

De simulaties gebruiken verschillende sets berekeningen om wetenschappers te helpen visualiseren hoe materie ontsnapt uit deze fusies. Door de snelheid te modelleren, traject, hoeveelheid en soort materie, en zelfs de kleur van het licht dat het afgeeft, astrofysici kunnen leren hoe ze werkelijke gebeurtenissen kunnen opsporen.

De vreemde wereld van neutronensterren

Het groottebereik van neutronensterren wordt bepaald door de ultieme limiet voor hoe dicht materie kan worden verdicht, en neutronensterren behoren tot de meest superdichte objecten die we kennen in het universum.

Van neutronensterren is waargenomen dat ze een massa hebben tot ten minste twee keer die van onze zon, maar met een diameter van slechts ongeveer 20 kilometer. gemiddeld, terwijl onze eigen zon een diameter heeft van ongeveer 865, 000 mijl. Bij voldoende grote massa, misschien ongeveer drie keer de massa van de zon, wetenschappers verwachten dat neutronensterren moeten instorten om zwarte gaten te vormen.

Een kubieke inch materie van een neutronenster weegt naar schatting tot 10 miljard ton. Zoals hun naam al doet vermoeden, Men denkt dat neutronensterren grotendeels zijn samengesteld uit de neutraal geladen subatomaire deeltjes die neutronen worden genoemd, en sommige modellen verwachten dat ze lange strengen materie bevatten - bekend als "nucleaire pasta" - gevormd door atoomkernen die aan elkaar binden.

Neutronensterren zullen naar verwachting ook bijna perfect bolvormig zijn, met een stijve en ongelooflijk gladde korst en een ultrakrachtig magnetisch veld. Ze kunnen draaien met een snelheid van ongeveer 43, 000 omwentelingen per minuut (RPM's), of ongeveer vijf keer sneller dan de RPM's van een NASCAR-raceautomotor.

De nasleep van de fusie van neutronensterren

De simulaties van de onderzoekers toonden aan dat de radioactieve materie die het eerst ontsnapt aan de samensmeltingen van zwarte gaten, met snelheden van ongeveer 20 kan reizen, 000 tot 60, 000 mijl per seconde, of tot ongeveer een derde van de lichtsnelheid, zoals het wordt weggezwaaid in een lange "getijdenstaart".

"Dit zou vreemd materiaal zijn dat is geladen met neutronen, "Zei Kasen. "Als dat uitzettende materiaal afkoelt en decomprimeert, de deeltjes kunnen mogelijk combineren om zich op te bouwen tot de zwaarste elementen." Dit laatste onderzoek laat zien hoe wetenschappers deze heldere bundels zware elementen zouden kunnen vinden.

"Als we LIGO-detecties kunnen opvolgen met telescopen en een radioactieve gloed kunnen opvangen, we kunnen eindelijk getuige zijn van de geboorteplaats van de zwaarste elementen in het universum, " zei hij. "Dat zou een van de langst bestaande vragen in de astrofysica beantwoorden."

De meeste materie in een samensmelting van een zwart gat en een neutronenster zal naar verwachting binnen een milliseconde van de samensmelting door het zwarte gat worden opgezogen. en andere materie die niet wordt weggeslingerd in de fusie, zal waarschijnlijk een extreem dichte, dun, donutvormige halo van materie.

De dunne, hete schijf van materie die is gebonden door het zwarte gat zal naar verwachting worden gevormd binnen ongeveer 10 milliseconden na de fusie, en geconcentreerd te zijn binnen ongeveer 15 tot 70 mijl ervan, de simulaties lieten zien. Deze eerste 10 milliseconden lijken de sleutel te zijn in de langetermijnevolutie van deze schijven.

Over tijdschalen variërend van tientallen milliseconden tot enkele seconden, de hete schijf spreidt zich uit en lanceert meer materie de ruimte in. "Een aantal fysieke processen - van magnetische velden tot deeltjesinteracties en kernreacties - combineren op complexe manieren om de evolutie van de schijf te stimuleren, " zei Rodrigo Fernández, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Alberta in Canada die een van de onderzoeken leidde.

Simulaties uitgevoerd op de Edison-supercomputer van NERSC waren cruciaal om te begrijpen hoe de schijf materie uitwerpt en om aanwijzingen te geven voor het observeren van deze materie. zei Fernandez, een voormalig UC Berkeley postdoctoraal onderzoeker.

Wat is het volgende?

Eventueel, het is misschien mogelijk voor astronomen die de nachtelijke hemel aftasten om de "naald in een hooiberg" van radioactieve kilonova's van neutronensterfusies te vinden die in de LIGO-gegevens waren gemist, zei Kasen.

"Met verbeterde modellen, we zijn beter in staat om de waarnemers precies te vertellen welke lichtflitsen de signalen zijn die ze zoeken, " zei hij. Kasen werkt ook aan het bouwen van steeds geavanceerdere modellen van fusies van neutronensterren en supernova's door zijn betrokkenheid bij het DOE Exascale Computing Project.

Naarmate de gevoeligheid van zwaartekrachtgolfdetectoren verbetert, Foucart zei, het kan mogelijk zijn om een ​​continu signaal te detecteren dat wordt geproduceerd door zelfs maar een kleine bobbel op het oppervlak van een neutronenster, bijvoorbeeld, of signalen van getheoretiseerde eendimensionale objecten die bekend staan ​​als kosmische snaren.

"Dit zou ons ook in staat kunnen stellen om gebeurtenissen te observeren die we ons niet eens hadden voorgesteld, " hij zei.