Questa simulazione, campionato su una sfera con un 6, raggio di 200 miglia centrato su un buco nero, mostra un evento esplosivo noto come kilonova associato a una fusione di stelle di neutroni. Un componente, che dura giorni, ha una firma associata di luce a frequenza blu (blu), e un altro componente che dura per settimane ha un picco di colore associato della luce nel vicino infrarosso (rosso). Il verde mostra la firma dei getti energetici associati che si creano nella fusione. Credito:Avvisi mensili della Royal Astronomical Society
Gli scienziati stanno migliorando nel modellare il complesso groviglio di proprietà fisiche in gioco in uno degli eventi più potenti dell'universo conosciuto:la fusione di due stelle di neutroni.
Le stelle di neutroni sono le stelle che ruotano velocemente, gusci ultradensi di stelle più grandi che sono esplose come supernove. Misurano circa 12 miglia di diametro, e un singolo cucchiaino di materia di stelle di neutroni pesa fino a 1, 125 ponti Golden Gate, o 2, 735 edifici dell'Empire State.
Il 17 agosto 2017, gli scienziati hanno osservato una firma di onde gravitazionali - increspature nel tessuto dello spazio-tempo - e anche un'esplosione esplosiva associata, noto come kilonova, che sono stati meglio spiegati dalla fusione di due stelle di neutroni. E ancora il 25 aprile, 2019, un altro probabile evento di fusione di stelle di neutroni, basato esclusivamente su una misurazione di onde gravitazionali.
Mentre questi eventi possono aiutare a confrontare e convalidare i modelli fisici che i ricercatori sviluppano per capire cosa c'è all'opera in queste fusioni, i ricercatori devono ancora essenzialmente partire da zero per costruire la fisica giusta in questi modelli.
In uno studio pubblicato su Avvisi mensili della Royal Astronomical Society rivista, un team guidato da scienziati della Northwestern University ha simulato la formazione di un disco di materia, una gigantesca esplosione di materia espulsa, e l'avvio di getti energetici attorno all'oggetto rimanente, una stella di neutroni più grande o un buco nero, all'indomani di questa fusione.
Il team includeva ricercatori presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia, UC Berkeley, l'Università dell'Alberta, e l'Università del New Hampshire.
Per rendere il modello più realistico rispetto agli sforzi precedenti, il team ha costruito tre simulazioni separate che hanno testato diverse geometrie per i potenti campi magnetici che circondano la fusione.
Illustrazione artistica di due stelle di neutroni che si fondono. La griglia spazio-temporale increspata rappresenta le onde gravitazionali che viaggiano fuori dalla collisione, mentre i fasci stretti mostrano i lampi di raggi gamma che vengono emessi pochi secondi dopo le onde gravitazionali. Sono raffigurate anche nuvole vorticose di materiale espulso dalle stelle che si fondono. Le nuvole brillano di luce visibile e di altre lunghezze d'onda. Credito:NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
"Partiamo da una serie di principi fisici, effettuando un calcolo che nessuno ha mai fatto a questo livello prima, e poi chiedere, "Siamo ragionevolmente vicini alle osservazioni o ci manca qualcosa di importante?'", ha detto Rodrigo Fernández, coautore dell'ultimo studio e ricercatore presso l'Università di Alberta.
Le simulazioni 3D che hanno effettuato, che includeva il tempo di calcolo presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab, ha coinvolto più di 6 milioni di ore di tempo della CPU (unità di elaborazione del computer).
Le simulazioni tengono conto degli effetti GRMHD (magnetoidrodinamica relativistica generale), che includono proprietà associate a campi magnetici e materia fluida, così come le proprietà della materia e dell'energia che viaggiano quasi alla velocità della luce. I ricercatori hanno notato che le simulazioni potrebbero anche rivelarsi utili nella modellazione della fusione di un buco nero con una stella di neutroni.
Per simulare le esplosioni di kilonova, un evento di creazione di elementi che gli scienziati ritengono sia responsabile della semina nello spazio di elementi pesanti, il team ha prodotto stime della sua massa totale espulsa, la sua velocità media, e la sua composizione.
"Con queste tre quantità si può stimare se la curva di luce avrebbe la giusta luminosità, colore, e tempo di evoluzione, " ha detto Fernández.
Ci sono due componenti generalizzate di queste esplosioni di kilonova:una si evolve nel corso dei giorni ed è caratterizzata dalla caratteristica luce a frequenza blu che emette al suo apice, e l'altro dura per settimane e ha un picco di colore associato della luce nel vicino infrarosso.
Le ultime simulazioni sono progettate per modellare questi componenti blu e rossi delle kilonovae.
Le simulazioni aiutano anche a spiegare il lancio di potenti getti di energia che emanano verso l'esterno all'indomani della fusione, compreso un carattere "striato" dei getti dovuto agli effetti di potenti, campi magnetici alternati. Questi getti possono essere osservati come un'esplosione di raggi gamma, come per l'evento 2017.
Una fetta verticale 2D di una simulazione 3D GRMHD (magnetoidrodinamica relativistica generale) di una fusione di stelle di neutroni inizializzata con un campo magnetico toroidale (a forma di ciambella), che mostra la densità di massa (il rosso è ad alta densità, l'azzurro è a bassa densità). Le linee nere rivelano le caratteristiche delle linee del campo magnetico. Getti energetici (blu scuro) si formano all'indomani della fusione. Credito:Avvisi mensili della Royal Astronomical Society
Daniel Kasen, uno scienziato nella divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab e professore associato di fisica e astronomia all'Università di Berkeley, disse, "I campi magnetici forniscono un modo per sfruttare l'energia di un buco nero rotante e usarla per sparare getti di gas che si muovono a una velocità prossima a quella della luce. Tali getti possono produrre esplosioni di raggi gamma, così come emissione radio e raggi X estesa, tutto ciò è stato visto nell'evento del 2017".
Fernández ha riconosciuto che le simulazioni non rispecchiano ancora esattamente le osservazioni - le simulazioni hanno mostrato una massa inferiore per il contributo della kilonova blu rispetto a quella rossa - e che modelli migliori della stella di neutroni ipermassicci risultanti dalla fusione e dei neutrini abbondanti - particelle spettrali che viaggiano attraverso la maggior parte dei tipi di materia inalterati, associati all'evento di fusione, sono necessari per migliorare i modelli.
Il modello ha beneficiato dei modelli dei dischi di materia (dischi di accrescimento) che circondano i buchi neri, così come modelli delle proprietà di raffreddamento dei neutrini, il volume di neutroni e protoni associati all'evento di fusione, e il processo di creazione della materia associato alla kilonova.
Kasen ha osservato che le risorse informatiche del Berkeley Lab "ci permettono di scrutare negli ambienti più estremi, come questo turbolento vortice che scorre fuori da un buco nero appena nato, e di osservare e imparare come sono stati realizzati gli elementi pesanti".
Le simulazioni suggeriscono che la fusione di stelle di neutroni osservata nell'agosto 2017 probabilmente non ha formato un buco nero nelle sue immediate conseguenze, e che i campi magnetici più forti erano a forma di ciambella. Anche, le simulazioni concordavano ampiamente con alcuni modelli di vecchia data per il comportamento dei fluidi.
