Międzynarodowy zespół naukowców po raz pierwszy modeluje jednocześnie różne sygnały eksplozji kilonowej.
Gwiazdy neutronowe powstają jako końcowy produkt grawitacyjnego zapadnięcia się masywnych gwiazd, gromadząc dużą część ich pierwotnej masy w super gęstej gwieździe o średnicy zaledwie ok. 10 kilometrów. 17 sierpnia 2017 roku naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali różnorodne oznaki wybuchowego połączenia dwóch okrążających się gwiazd neutronowych, w tym fale grawitacyjne i ogromne wybuchy promieniowania, włącznie z rozbłyskiem gamma. Międzynarodowy zespół naukowców opracował metodę jednoczesnego modelowania tych obserwowalnych sygnałów kilonowej, co umożliwiło precyzyjne opisanie tego, co dokładnie dzieje się podczas fuzji, jak zachowuje się materia jądrowa w ekstremalnych warunkach i dlaczego złoto na Ziemi musiało powstać w takich zdarzeniach.
Dzięki nowemu programowi obliczeniowemu zespół był w stanie jednocześnie zinterpretować różne rodzaje danych astrofizycznych z fuzji gwiazd neutronowych. Dodatkowo możliwe jest wykorzystanie danych z obserwacji radiowych i rentgenowskich innych gwiazd neutronowych, obliczeń fizyki jądrowej, a nawet danych z eksperymentów zderzeń ciężkich jonów w ziemskich akceleratorach. Dotychczas różne źródła danych analizowano oddzielnie, a dane interpretowano przy użyciu różnych modeli fizycznych. Analizując dane spójnie i jednocześnie, uzyskujemy bardziej precyzyjne wyniki – powiedział Peter T.H. Pang, naukowiec z Uniwersytetu w Utrechcie. Nasza nowa metoda pomoże analizować właściwości materii przy ekstremalnych gęstościach. Pozwoli nam również lepiej zrozumieć ekspansję Wszechświata i to, w jakim stopniu ciężkie pierwiastki powstają podczas fuzji gwiazd neutronowych – wyjaśnił Tim Dietrich, profesor na Uniwersytecie w Poczdamie i szef grupy Max Planck Fellow w Instytucie Fizyki Grawitacyjnej Maxa Plancka (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung) W Stuttgarcie.
Ekstremalne warunki w kosmicznym laboratorium
Gwiazda neutronowa to supergęsty obiekt astrofizyczny, który powstaje pod koniec życia masywnej gwiazdy w wyniku eksplozji supernowej. Podobnie jak inne zwarte obiekty, niektóre gwiazdy neutronowe krążą wokół siebie w układach podwójnych. Tracą one energię poprzez ciągłą emisję fal grawitacyjnych – drobnych zmarszczek w strukturze czasoprzestrzeni – i ostatecznie zderzają się. Takie fuzje pozwalają naukowcom badać zasady fizyczne w najbardziej ekstremalnych warunkach we Wszechświecie. Warunki tych wysokoenergetycznych zderzeń prowadzą do powstawania ciężkich pierwiastków, takich jak złoto. Łączące się gwiazdy neutronowe są wyjątkowymi obiektami do badania właściwości materii przy gęstościach znacznie przekraczających te występujące w jądrach atomowych.
Nowa metoda została zastosowana do pierwszej i jak dotąd jedynej wieloskładnikowej obserwacji łączenia się podwójnych gwiazd neutronowych. W zdarzeniu tym, odkrytym 17 sierpnia 2017 roku, ostatnie kilka tysięcy orbit gwiazd wokół siebie zakrzywiło czasoprzestrzeń na tyle, by wytworzyć fale grawitacyjne, które zostały wykryte przez naziemne obserwatoria fal grawitacyjnych Advanced LIGO i Advanced Virgo. Podczas łączenia się dwóch gwiazd doszło do wyrzutu nowopowstałych ciężkich pierwiastków. Niektóre z tych pierwiastków rozpadły się radioaktywnie, powodując wzrost temperatury. Wyzwolony przez to promieniowanie cieplne sygnał elektromagnetyczny w zakresie optycznym, podczerwonym i UV został wykryty do dwóch tygodni po zderzeniu. Rozbłysk promieniowania gamma, również spowodowany połączeniem gwiazd neutronowych, wyrzucił dodatkowy materiał. Reakcja materii gwiazdy neutronowej z otaczającym ją ośrodkiem spowodowała emisję promieniowania rentgenowskiego i radiowego, którą można było monitorowanie w skali czasowej od dni do lat.
Dokładniejsze wyniki dla przyszłych detekcji
Detektory fal grawitacyjnych są obecnie w trakcie czwartego cyklu obserwacyjnego. Kolejne wykrycie fuzji gwiazd neutronowych może nastąpić lada dzień, a naukowcy z niecierpliwością czekają na wykorzystanie omawianego narzędzia.
Wyniki badań zostały opublikowane 20 grudnia 2023 roku w „Nature”.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- The goldmine of a neutron star collision
- An updated nuclear-physics and multi-messenger astrophysics framework for binary neutron star mergers
Źródło: MPG
Na ilustracji: Symulacja numeryczna materiału wyrzuconego z dwóch łączących się gwiazd neutronowych. Czerwone kolory odnoszą się do wyrzuconego materiału z dużą zawartością neutronów, który będzie wyglądał na bardziej czerwony niż niebieski materiał zawierający większą część protonów. Źródło: I. Markin (Uniwersytet w Poczdamie)
