Met behulp van supercomputerberekeningen laten wetenschappers van het Max Planck Institute for Gravitational Physics in Potsdam en uit Japan voor het eerst een consistent beeld zien:ze modelleerden het volledige proces van de botsing van een zwart gat met een neutronenster. In hun studies berekenden ze het proces vanaf de laatste banen via de fusie tot de fase na de fusie waarin, volgens hun berekeningen, hoogenergetische gammaflitsen kunnen optreden. De resultaten van hun onderzoek zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review D .

Bijna zeven jaar zijn verstreken sinds de eerste detectie van zwaartekrachtsgolven. Op 14 september 2015 registreerden de LIGO-detectoren in de VS het signaal van twee samensmeltende zwarte gaten vanuit de diepten van de ruimte. Sindsdien zijn in totaal 90 signalen waargenomen:van binaire systemen van twee zwarte gaten of neutronensterren, maar ook van gemengde dubbelsterren. Als er tenminste één neutronenster bij de fusie betrokken is, bestaat de kans dat niet alleen zwaartekrachtgolfdetectoren de gebeurtenis waarnemen, maar ook telescopen in het elektromagnetische spectrum.

Toen twee neutronensterren samensmolten tijdens de gebeurtenis die op 17 augustus 2017 werd gedetecteerd (GW170817), observeerden ongeveer 70 telescopen op aarde en in de ruimte de elektromagnetische signalen. In de twee fusies van neutronensterren met zwarte gaten die tot nu toe zijn waargenomen (GW200105 en GW200115), werden geen elektromagnetische tegenhangers van de zwaartekrachtsgolven gedetecteerd. Maar als er meer van dergelijke gebeurtenissen worden gemeten met de steeds gevoeliger wordende detectoren, verwachten de onderzoekers ook hier elektromagnetische waarnemingen. Tijdens en na de fusie wordt materie uit het systeem gestoten en wordt elektromagnetische straling gegenereerd. Dit levert waarschijnlijk ook korte gammaflitsen op, zoals waargenomen door ruimtetelescopen.

Voor hun studie kozen de wetenschappers twee verschillende modelsystemen, bestaande uit een roterend zwart gat en een neutronenster. De massa's van het zwarte gat waren respectievelijk 5,4 en 8,1 zonsmassa's en de massa van de neutronenster was 1,35 zonsmassa. Deze parameters zijn zo gekozen dat de neutronenster naar verwachting door getijdenkrachten zou worden verscheurd.

"We krijgen inzicht in een proces dat één tot twee seconden duurt - dat klinkt kort, maar in feite gebeurt er in die tijd veel:van de laatste banen en de verstoring van de neutronenster door de getijdenkrachten, het uitstoten van materie, tot de vorming van een accretieschijf rond het ontluikende zwarte gat en verdere uitstoot van materie in een straal", zegt Masaru Shibata, directeur van de afdeling Computational Relativistic Astrophysics van het Max Planck Institute for Gravitational Physics in Potsdam. "Deze hoogenergetische jet is waarschijnlijk ook een reden voor korte gammaflitsen, waarvan de oorsprong nog steeds mysterieus is. De simulatieresultaten geven ook aan dat de uitgestoten materie zware elementen zoals goud en platina moet synthetiseren."

Wat gebeurt er tijdens en na de fusie?

De simulaties laten zien dat tijdens het samensmeltingsproces de neutronenster uit elkaar wordt gescheurd door getijdenkrachten. Ongeveer 80% van de materie van de neutronenster valt binnen enkele milliseconden in het zwarte gat, waardoor de massa met ongeveer één zonnemassa toeneemt. In de daaropvolgende ongeveer 10 milliseconden vormt de materie van de neutronenster een eenarmige spiraalstructuur. Een deel van de materie in de spiraalarm wordt uit het systeem gestoten, terwijl de rest (0,2-0,3 zonsmassa's) een accretieschijf rond het zwarte gat vormt. Wanneer de accretieschijf na de fusie in het zwarte gat valt, veroorzaakt dit een gefocuste straalachtige stroom elektromagnetische straling, die uiteindelijk een korte gammaflits kan produceren.

Simulaties van een paar seconden

Het kostte de clustercomputer "Sakura" van de afdeling ongeveer twee maanden om de vergelijkingen van Einstein op te lossen voor het proces dat ongeveer twee seconden duurt. "Dergelijke algemeen relativistische simulaties zijn erg tijdrovend. Daarom hebben onderzoeksgroepen over de hele wereld zich tot nu toe alleen gericht op korte simulaties", legt Dr. Kenta Kiuchi uit, groepsleider in Shibata's afdeling, die de code ontwikkelde. "Daarentegen geeft een end-to-end-simulatie, zoals die we nu voor het eerst hebben uitgevoerd, een zelfconsistent beeld van het hele proces voor gegeven binaire beginvoorwaarden die een keer aan het begin worden gedefinieerd." /P>

Bovendien kunnen de onderzoekers alleen met zulke lange simulaties het generatiemechanisme van korte gammaflitsen verkennen, die doorgaans één tot twee seconden duren.

Shibata en de wetenschappers van zijn afdeling werken al aan vergelijkbare maar nog complexere numerieke simulaties om de botsing van twee neutronensterren en de fase na de fusie consistent te modelleren. + Verder verkennen

Zwarte gaten en neutronensterren smelten ongezien samen in dichte sterrenhopen