Ora che gli scienziati possono rilevare le sinuose distorsioni nello spazio-tempo create dalla fusione di enormi buchi neri, stanno mettendo gli occhi sulle dinamiche e sulle conseguenze di altri duetti cosmici che si uniscono in collisioni catastrofiche.

Lavorare con un team internazionale, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato nuovi modelli al computer per esplorare cosa succede quando un buco nero si unisce a una stella di neutroni, il residuo superdenso di una stella esplosa.

Usare i supercomputer per strappare le stelle di neutroni aperte

Le simulazioni, svolto in parte presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab, hanno lo scopo di aiutare i rivelatori a individuare i segnali delle onde gravitazionali. Telescopi, pure, può cercare le brillanti esplosioni di raggi gamma e il bagliore della materia radioattiva che questi eventi esotici possono vomitare nello spazio circostante.

In articoli separati pubblicati in un'edizione speciale della rivista scientifica Gravità classica e quantistica , Berkeley Lab e altri ricercatori presentano i risultati di simulazioni dettagliate.

Uno degli studi modella i primi millisecondi (millesimi di secondo) nella fusione di un buco nero e di una stella di neutroni, e gli altri dettagli separano le simulazioni che modellano la formazione di un disco di materiale formatosi in pochi secondi dalla fusione, e dell'evoluzione della materia che viene espulsa nella fusione.

Quella materia espulsa probabilmente include oro e platino e una serie di elementi radioattivi che sono più pesanti del ferro.

Qualsiasi nuova informazione scientifica in grado di raccogliere su come le stelle di neutroni si lacerano in queste fusioni può aiutare a svelare i loro segreti, poiché la loro struttura interna e il loro probabile ruolo nel seminare l'universo con elementi pesanti sono ancora avvolti nel mistero.

"Stiamo costantemente aggiungendo fisica più realistica alle simulazioni, " disse - Foucart, che è stato autore principale di uno degli studi come ricercatore post-dottorato nella divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab.

"Ma non sappiamo ancora cosa sta succedendo all'interno delle stelle di neutroni. La fisica complicata di cui abbiamo bisogno per modellare rende le simulazioni molto complesse dal punto di vista computazionale".

Trovare segni di una fusione buco nero-stella di neutroni

Foucat, che presto sarà assistente professore all'Università del New Hampshire, aggiunto, "Stiamo cercando di muoverci di più verso la realizzazione di modelli dei segnali di onde gravitazionali prodotti da queste fusioni, " che creano un'increspatura nello spazio-tempo che i ricercatori sperano possa essere rilevata con miglioramenti nella sensibilità degli esperimenti tra cui Advanced LIGO, l'Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometro laser.

A febbraio 2016, Gli scienziati di LIGO hanno confermato la prima rilevazione di un'onda gravitazionale, creduto generato dalla fusione di due buchi neri, ciascuno con masse circa 30 volte più grandi del sole.

Si prevede che i segnali di una stella di neutroni che si fonde con i buchi neri o di un'altra stella di neutroni generino onde gravitazionali leggermente più deboli ma simili a quelle delle fusioni buco nero-buco nero, disse Foucart.

"Rifiuti" radioattivi nello spazio

Daniel Kasen, uno scienziato della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab e professore associato di fisica e astronomia all'Università di Berkeley che ha partecipato alla ricerca, ha affermato che all'interno delle stelle di neutroni "potrebbero esserci stati esotici della materia diversi da qualsiasi altra cosa realizzata in qualsiasi altra parte dell'universo".

In alcune simulazioni al computer le stelle di neutroni sono state inghiottite intere dal buco nero, mentre in altri c'era una frazione di materia espulsa nello spazio. Si stima che questa materia espulsa raggiunga circa un decimo della massa del sole.

Mentre gran parte della materia viene risucchiata nel buco nero più grande che si forma dalla fusione, "il materiale che viene espulso alla fine si trasforma in una sorta di "rifiuto" radioattivo, '", ha detto. "Puoi vedere il bagliore radioattivo di quel materiale per un periodo di giorni o settimane, da più di cento milioni di anni luce di distanza." Gli scienziati si riferiscono a questo bagliore radioattivo osservabile come "kilonova".

Le simulazioni utilizzano diversi set di calcoli per aiutare gli scienziati a visualizzare come la materia fuoriesce da queste fusioni. Modellando la velocità, traiettoria, quantità e tipo di materia, e anche il colore della luce che emana, gli astrofisici possono imparare a rintracciare eventi reali.

Lo strano mondo delle stelle di neutroni

L'intervallo di dimensioni delle stelle di neutroni è fissato dal limite ultimo di quanto densamente la materia può essere compattata, e le stelle di neutroni sono tra gli oggetti più superdensi che conosciamo nell'universo.

È stato osservato che le stelle di neutroni hanno masse fino ad almeno due volte quella del nostro sole ma misurano solo circa 12 miglia di diametro, in media, mentre il nostro sole ha un diametro di circa 865, 000 miglia. A masse abbastanza grandi, forse circa tre volte la massa del sole, gli scienziati si aspettano che le stelle di neutroni debbano collassare per formare buchi neri.

Si stima che un pollice cubo di materia di una stella di neutroni pesi fino a 10 miliardi di tonnellate. Come suggerisce il nome, si pensa che le stelle di neutroni siano composte in gran parte da particelle subatomiche con carica neutra chiamate neutroni, e alcuni modelli si aspettano che contengano lunghi filamenti di materia - noti come "pasta nucleare" - formati da nuclei atomici che si legano tra loro.

Anche le stelle di neutroni dovrebbero essere quasi perfettamente sferiche, con una crosta rigida e incredibilmente liscia e un campo magnetico ultrapotente. Possono girare a una velocità di circa 43, 000 giri al minuto (RPM), o circa cinque volte più veloce degli RPM del motore di un'auto da corsa NASCAR.

Le conseguenze delle fusioni di stelle di neutroni

Le simulazioni dei ricercatori hanno mostrato che la materia radioattiva che per prima sfugge alle fusioni dei buchi neri potrebbe viaggiare a una velocità di circa 20, 000 a 60, 000 miglia al secondo, o fino a circa un terzo della velocità della luce, poiché viene fatto oscillare via in una lunga "coda di marea".

"Questo sarebbe strano materiale caricato con neutroni, " ha detto Kasen. "Mentre quel materiale in espansione si raffredda e si decomprime, le particelle potrebbero essere in grado di combinarsi per formare gli elementi più pesanti." Quest'ultima ricerca mostra come gli scienziati potrebbero trovare questi fasci luminosi di elementi pesanti.

"Se possiamo seguire i rilevamenti di LIGO con i telescopi e catturare un bagliore radioattivo, possiamo finalmente assistere al luogo di nascita degli elementi più pesanti dell'universo, " ha detto. "Questo risponderebbe a una delle domande più antiche in astrofisica".

La maggior parte della materia in una fusione buco nero-stella di neutroni dovrebbe essere risucchiata dal buco nero entro un millisecondo dalla fusione, e altra materia che non viene gettata via nella fusione è probabile che formi un agglomerato estremamente denso, magro, alone di materia a forma di ciambella.

il sottile, si prevede che il disco caldo di materia legato al buco nero si formi entro circa 10 millisecondi dalla fusione, e di essere concentrato entro circa 15-70 miglia da esso, le simulazioni mostrate. Questi primi 10 millisecondi sembrano essere la chiave dell'evoluzione a lungo termine di questi dischi.

Su scale temporali che vanno da decine di millisecondi a diversi secondi, l'hot disk si espande e lancia più materia nello spazio. "Un certo numero di processi fisici - dai campi magnetici alle interazioni tra particelle e alle reazioni nucleari - si combinano in modi complessi per guidare l'evoluzione del disco, " ha detto Rodrigo Fernández, un assistente professore di fisica presso l'Università di Alberta in Canada che ha condotto uno degli studi.

Le simulazioni effettuate sul supercomputer Edison del NERSC sono state fondamentali per capire come il disco espelle la materia e per fornire indizi su come osservare questa materia, disse Fernández, un ex ricercatore post-dottorato dell'UC Berkeley.

Qual è il prossimo?

Infine, potrebbe essere possibile per gli astronomi che scansionano il cielo notturno trovare "l'ago in un pagliaio" di kilonovae radioattive da fusioni di stelle di neutroni che erano state perse nei dati LIGO, ha detto Kasen.

"Con modelli migliorati, siamo in grado di dire meglio agli osservatori esattamente quali lampi di luce sono i segnali che stanno cercando, " ha detto. Kasen sta anche lavorando per costruire modelli sempre più sofisticati di fusioni di stelle di neutroni e supernove attraverso il suo coinvolgimento nel DOE Exascale Computing Project.

Man mano che la sensibilità dei rivelatori di onde gravitazionali migliora, Foucart ha detto, potrebbe essere possibile rilevare un segnale continuo prodotto anche da una piccola protuberanza sulla superficie di una stella di neutroni, Per esempio, o segnali da oggetti unidimensionali teorizzati noti come stringhe cosmiche.

"Questo potrebbe anche permetterci di osservare eventi che non abbiamo nemmeno immaginato, " Egli ha detto.