Kiedy czarna dziura zderza się z gwiazdą neutronową
Redakcja
/ Komunikat prasowy Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka
astronews.com
21 lipca 2022

Przy pomocy superkomputerów po raz pierwszy zaprojektowano cały proces zderzenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową. Zespół obliczył procesy od ostatnich orbit poprzez fuzję do etapu po zderzeniu, w którym według obliczeń mogą również wystąpić wysokoenergetyczne rozbłyski gamma.

Po raz pierwszy naukowcy zamodelowali zarówno połączenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową, jak i proces, który nastąpił w ramach pojedynczej symulacji. 12 lipca 2022

Wykorzystując obliczenia modelowe na superkomputerach, naukowcy z Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka w Poczdamie oraz z Japonii po raz pierwszy przedstawili spójny obraz: modelowali cały proces zderzenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową. Obliczyli procesy od ostatnich orbit poprzez fuzję do fazy po zderzeniu, w której według ich obliczeń mogą również wystąpić wysokoenergetyczne rozbłyski gamma.

Od pierwszego pomiaru fal grawitacyjnych minęło prawie siedem lat – 14 września 2015 r. instrument LIGO w USA odebrał sygnał dwóch połączonych czarnych dziur z kosmosu. Od tego czasu zmierzono w sumie 90 sygnałów: z układów podwójnych dwóch czarnych dziur lub gwiazd neutronowych, a także z układów mieszanych. Jeśli w fuzję bierze udział co najmniej jedna gwiazda neutronowa, istnieje szansa, że ​​detektory fal grawitacyjnych będą monitorować nie tylko to zdarzenie, ale także teleskopy w zakresie elektromagnetycznym.

Kiedy dwie gwiazdy neutronowe połączyły się w obserwowanym wydarzeniu 17 sierpnia 2017 r. (GW170817), około 70 obserwatoriów astronomicznych na Ziemi i w kosmosie zaobserwowało sygnały elektromagnetyczne. W dwóch obserwowanych dotychczas procesach łączenia gwiazd neutronowych z czarnymi dziurami (GW200105 i GW200115) nie wykryto elektromagnetycznych analogów fal grawitacyjnych. Jeśli jednak więcej takich zdarzeń jest mierzonych za pomocą coraz bardziej czułych detektorów, naukowcy spodziewają się również tutaj obserwacji w zakresie elektromagnetycznym.

Ponieważ podczas i po fuzji materia jest wyrzucana z systemu i wytwarzane jest promieniowanie elektromagnetyczne. Prawdopodobnie spowodowałoby to również krótkotrwałe rozbłyski gamma, które mogą być obserwowane przez teleskopy kosmiczne. Do swoich badań naukowcy wybrali dwa różne systemy modelowe: obracającą się czarną dziurę i gwiazdę neutronową. Masy czarnej dziury wynosiły odpowiednio 5,4 i 8,1 mas Słońca, a masa gwiazdy neutronowej wynosiła 1,35 mas Słońca. Parametry te zostały wybrane w taki sposób, aby można było oczekiwać, że gwiazda neutronowa zostanie rozerwana przez siły pływowe.

„Uzyskujemy wgląd w proces, który trwa od jednej do dwóch sekund – to brzmi krótko, ale w rzeczywistości wiele się dzieje w tym czasie: od ostatnich orbit i rozerwania gwiazdy neutronowej przez siły pływowe i wyrzutu materii do wyrzucanie materii”, mówi Masaru Shibata, dyrektor wydziału astrofizyki numerycznej i relatywistycznej w Instytucie Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka w Poczdamie: „Tworzenie dysku akumulacyjnego wokół powstającej czarnej dziury i dalsze wyrzucanie materii w dżecie”. prawdopodobnie będzie przyczyną krótkich wybuchów promieni gamma, których pochodzenie pozostaje tajemnicą.Wyniki symulacji wskazują również, że wyrzucona materia powinna tworzyć ciężkie przedmioty, takie jak złoto i platyna.

Symulacje pokazują, że podczas procesu łączenia gwiazda neutronowa jest rozrywana przez siły pływowe. Około 80% materii gwiazdy neutronowej wpada do czarnej dziury w ciągu kilku milisekund, zwiększając jej masę o około jedną masę Słońca. W ciągu kolejnych dziesięciu milisekund materiał gwiazdy neutronowej tworzy jednoramienną strukturę spiralną. Część materiału w ramieniu spiralnym jest wyrzucana z układu, podczas gdy reszta (0,2-0,3 mas Słońca) tworzy dysk akrecyjny wokół czarnej dziury. Jeśli dysk akrecyjny wpadnie do czarnej dziury po połączeniu, spowoduje to powstanie „dżetu”, tj. zebranego strumienia promieniowania elektromagnetycznego, które może ostatecznie wytworzyć rozbłysk gamma.

Aby rozwiązać równania Einsteina dla procesu, który trwał do dwóch sekund, komputer klastra dla sekcji o nazwie „Sakura” musiał wykonywać obliczenia przez około dwa miesiące. Dr wyjaśnia. Kenta Kiyoshi, lider grupy w oddziale Shibata, który opracował kod. „Ciągłe symulacje, takie jak ta, którą przeprowadziliśmy po raz pierwszy, zapewniają spójny obraz całego procesu dla ustalonych wcześniej warunków początkowych układu binarnego”.

Ponadto tylko przy tak długiej symulacji naukowcy mogą zbadać mechanizm powstawania krótkich rozbłysków gamma, które zwykle trwają od jednej do dwóch sekund. Shibata i naukowcy z jego działu pracują już nad podobnymi, ale bardziej złożonymi symulacjami numerycznymi, które wykorzystują do ciągłego modelowania połączenia dwóch gwiazd neutronowych i fazy po ich zderzeniu.

Wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie specjalistycznym
fizyczny przegląd d