Röntgenuitbarstingen zijn zeer energetische emissies van straling van het oppervlak van neutronensterren, veroorzaakt door de explosieve verbranding van materiaal dat zich op het oppervlak heeft opgehoopt. Het is hetzelfde soort verbranding dat plaatsvindt in de kernen van gewone sterren zoals de zon, maar in dit geval aan de oppervlakte gebeurt. Dus, in tegenstelling tot de zon, waar het honderdduizenden jaren duurt voordat deze straling ontsnapt - en in een veel zwakkere vorm - gebeurt het bijna onmiddellijk in een röntgenuitbarsting. Dit betekent dat alles rondom de neutronenster met straling wordt bestraald.

Eén ding dat we zeker weten dat veel neutronensterren omringt, is een accretieschijf, een wervelende verzameling plasma gevangen in het zwaartekrachtveld van de ster. Nieuwe röntgeninstrumenten, zoals de NICER-missie aan boord van het internationale ruimtestation, hebben astronomen de tools gegeven om deze röntgenuitbarstingen en hun effecten op hun omgeving in detail te bestuderen.

Een van de redenen waarom neutronensterren zo belangrijk zijn voor astrofysici, is dat ze de dichtste staat van materie in ons universum vertegenwoordigen. Begrijpen hoe materie zich onder deze omstandigheden gedraagt, is een belangrijke stap om de mysteries van subatomaire fysica en extreme zwaartekracht te ontrafelen. Neutronensterren begrijpen, Hoewel, vereist begrip van de straling die we van hen ontvangen, en dat betekent bijdragen van de neutronenster zelf en van de omringende schijf.

Dat is waar nieuw onderzoek van het College of Charleston natuurkunde- en sterrenkundeprofessor Chris Fragile en zijn studenten in het spel komt. Fragile's groep voerde computersimulaties uit om de interacties van röntgenuitbarstingen met accretieschijven te bestuderen. Zoals Fragile beschrijft, "In principe, we kunnen modelleren in een computer, met redelijk hoge betrouwbaarheid, wat er in deze systemen gebeurt. Dit stelt ons in staat om zoiets als een traditioneel wetenschappelijk experiment te doen zonder de inherente gevaren van een neutronenster in ons laboratorium."

Meerdere simulaties van dergelijke burst-schijfinteracties werden uitgevoerd met behulp van bronnen op de campus van het College of Charleston en via een XSEDE (Extreme Science and Engineering Discovery Environment) supercomputing-toewijzing. Uit deze simulaties werden veel opmerkelijke resultaten ontdekt, vooral, een aanzienlijke verstoring van de binnenste delen van de accretieschijf. Verschillende van de effecten die in de simulaties zijn onthuld, lijken overeen te komen met het waarnemingsbewijs van verstoorde schijven die de afgelopen 15 jaar door röntgentelescopen zijn waargenomen.

"Ik was erg opgewonden om deze resultaten te zien, " zegt Georgia Tech natuurkundeprofessor David Ballantyne, een medewerker aan dit werk. "Ik bestudeer deze systemen al meer dan tien jaar, proberen te begrijpen wat de gegevens ons vertellen over hoe deze schijven reageren op bursts. De details die door deze simulaties worden onthuld, openen een geheel nieuwe manier om de fysica van accretieschijven te bestuderen."

Zien dat de schijf wordt verstoord door de burst en vervolgens terugstuitert terwijl de burst vervaagt, biedt een methode voor het bestuderen van de interne processen die ervoor zorgen dat accretie werkt.

"Ik zeg graag dat we de schijf een kick geven en kijken wat er gebeurt, " legt Ballantyne uit. "Als we zien hoe snel een schijf reageert op zo'n sterke impuls, kunnen we in de binnenkant kijken. Het is vergelijkbaar met hoe wetenschappers aardbevingen gebruiken om meer te weten te komen over het binnenste van de aarde."

Toekomstig werk zou Ballantyne in staat moeten stellen te onderscheiden wat de stralingssignaturen van deze resultaten zouden zijn en voorspellingen te doen voor toekomstige waarnemingen. Op deze manier, het team hoopt te kunnen reverse-engineeren wat er gebeurt in echte neutronenstersystemen en accretieschijven.

De resultaten van dit werk zijn gepubliceerd in de 6 januari, 2020, probleem van Natuurastronomie . Auteurs zijn onder meer Fragile, Ballantyne en College of Charleston student Aidan Blankenship.