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    Le fusioni disuguali di stelle di neutroni creano un botto unico nelle simulazioni

    Attraverso una serie di simulazioni, un team internazionale di ricercatori ha determinato che alcune fusioni di stelle di neutroni producono radiazioni che dovrebbero essere rilevabili dalla Terra. Quando le stelle di neutroni di massa disuguale si fondono, la stella più piccola è fatta a pezzi dalle forze di marea della sua compagna massiccia (a sinistra). La maggior parte della massa del partner più piccolo cade sulla stella massiccia, facendolo collassare e formare un buco nero (al centro). Ma parte del materiale viene espulso nello spazio; il resto ricade per formare un enorme disco di accrescimento attorno al buco nero (a destra). Credito:adattato dalla figura 4 in "Formazione rapida di buchi neri indotta da accrescimento in fusioni asimmetriche di stelle di neutroni, segnali dinamici di ejecta e kilonova." Bernuzzi et al., Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

    Quando due stelle di neutroni si scontrano, il risultato è a volte un buco nero che inghiotte tutto tranne l'evidenza gravitazionale della collisione. Però, in una serie di simulazioni, un team internazionale di ricercatori, tra cui uno scienziato della Penn State, ha determinato che queste collisioni tipicamente silenziose, almeno in termini di radiazioni che possiamo rilevare sulla Terra, a volte possono essere molto più rumorose.

    "Quando due stelle di neutroni collassate incredibilmente dense si combinano per formare un buco nero, forti onde gravitazionali emergono dall'impatto, "ha detto David Radice, assistente professore di fisica e di astronomia e astrofisica alla Penn State e membro del gruppo di ricerca. "Ora possiamo rilevare queste onde utilizzando rilevatori come LIGO negli Stati Uniti e Virgo in Italia. Un buco nero in genere inghiotte qualsiasi altra radiazione che potrebbe essere uscita dalla fusione e che saremmo in grado di rilevare sulla Terra, ma attraverso le nostre simulazioni, abbiamo scoperto che potrebbe non essere sempre così".

    Il team di ricerca ha scoperto che quando le masse delle due stelle di neutroni in collisione sono abbastanza diverse, il compagno più grande fa a pezzi il più piccolo. Ciò provoca una fusione più lenta che consente la fuoriuscita di un "bang" elettromagnetico. Gli astronomi dovrebbero essere in grado di rilevare questo segnale elettromagnetico, e le simulazioni forniscono le firme di queste collisioni rumorose che gli astronomi potrebbero cercare dalla Terra.

    Il gruppo di ricerca, che include membri della collaborazione internazionale CoRe (Relatività computazionale), descrivere i loro risultati in un documento che appare online nella Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .

    "Recentemente, LIGO ha annunciato la scoperta di un evento di fusione in cui le due stelle hanno forse masse molto diverse, "ha detto Radice. "La conseguenza principale in questo scenario è che ci aspettiamo questa controparte elettromagnetica molto caratteristica del segnale dell'onda gravitazionale".

    Dopo aver segnalato il primo rilevamento di una fusione di stelle di neutroni nel 2017, nel 2019, il team LIGO ha riferito il secondo, che hanno chiamato GW190425. Il risultato della collisione del 2017 riguardava ciò che gli astronomi si aspettavano, con una massa totale di circa 2,7 volte la massa del nostro sole e ciascuna delle due stelle di neutroni circa uguale in massa. Ma GW190425 era molto più pesante, con una massa combinata di circa 3,5 masse solari e il rapporto tra i due partecipanti più diseguale, probabilmente fino a 2 a 1.

    "Anche se una differenza di massa di 2 a 1 può non sembrare una grande differenza, solo una piccola gamma di masse è possibile per le stelle di neutroni, " ha detto Radice.

    Le stelle di neutroni possono esistere solo in un ristretto intervallo di masse tra circa 1,2 e 3 volte la massa del nostro sole. I resti stellari più leggeri non collassano per formare stelle di neutroni e formano invece nane bianche, mentre gli oggetti più pesanti collassano direttamente per formare buchi neri. Quando la differenza tra le stelle che si fondono diventa grande come in GW190425, gli scienziati sospettavano che la fusione potesse essere più disordinata e più rumorosa nelle radiazioni elettromagnetiche. Gli astronomi non avevano rilevato tale segnale dalla posizione di GW190425, ma la copertura di quell'area del cielo da parte dei telescopi convenzionali quel giorno non era abbastanza buona per escluderla.

    Per comprendere il fenomeno delle collisioni disuguali di stelle di neutroni, e per prevedere le firme di tali collisioni che gli astronomi potrebbero cercare, il team di ricerca ha eseguito una serie di simulazioni utilizzando la piattaforma Bridges del Pittsburgh Supercomputing Center e la piattaforma Comet del San Diego Supercomputer Center, entrambe nella rete XSEDE di centri di supercalcolo e computer della National Science Foundation, e altri supercomputer.

    I ricercatori hanno scoperto che mentre le due stelle di neutroni simulate si avvicinavano a spirale l'una verso l'altra, la gravità della stella più grande ha fatto a pezzi la sua compagna. Ciò significava che la stella di neutroni più piccola non ha colpito la sua compagna più massiccia tutta in una volta. Lo scarico iniziale della materia della stella più piccola ha trasformato la più grande in un buco nero. Ma il resto della sua materia era troppo lontano perché il buco nero potesse catturarlo immediatamente. Anziché, la pioggia di materia più lenta nel buco nero ha creato un lampo di radiazione elettromagnetica.

    Il team di ricerca spera che la firma simulata che hanno trovato possa aiutare gli astronomi a utilizzare una combinazione di rilevatori di onde gravitazionali e telescopi convenzionali per rilevare i segnali accoppiati che preannunciano la rottura di una stella di neutroni più piccola che si fonde con una più grande.

    Le simulazioni richiedevano una combinazione insolita di velocità di calcolo, enormi quantità di memoria, e flessibilità nello spostamento dei dati tra memoria e calcolo. Il team ha utilizzato circa 500 core di calcolo, in esecuzione per settimane alla volta, in circa 20 istanze separate. Le molte quantità fisiche che dovevano essere considerate in ogni calcolo richiedevano circa 100 volte più memoria di una tipica simulazione astrofisica.

    "C'è molta incertezza intorno alle proprietà delle stelle di neutroni, — disse Radice. — Per capirli, dobbiamo simulare molti possibili modelli per vedere quali sono compatibili con le osservazioni astronomiche. Una singola simulazione di un modello non ci direbbe molto; abbiamo bisogno di eseguire un gran numero di simulazioni abbastanza complesse dal punto di vista computazionale. Abbiamo bisogno di una combinazione di alta capacità e alta capacità che solo macchine come Bridges possono offrire. Questo lavoro non sarebbe stato possibile senza l'accesso a tali risorse nazionali di supercalcolo".


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