I lampi di raggi X sono rilasci altamente energetici di radiazioni dalle superfici delle stelle di neutroni, innescato dalla combustione esplosiva di materiale accumulato in superficie. È lo stesso tipo di combustione che avviene nei nuclei delle stelle ordinarie come il sole, ma in questo caso, accadendo in superficie. Così, a differenza del sole, dove occorrono centinaia di migliaia di anni perché questa radiazione fuoriesca - e in una forma molto più debole - accade quasi istantaneamente in un lampo di raggi X. Ciò significa che tutto ciò che circonda la stella di neutroni verrà colpito da radiazioni.

Una cosa che sappiamo per certo che circonda molte stelle di neutroni è un disco di accrescimento, una raccolta vorticosa di plasma catturato nel campo gravitazionale della stella. Nuovi strumenti a raggi X, come la missione NICER a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, hanno fornito agli astronomi gli strumenti per studiare in dettaglio questi lampi di raggi X e i loro effetti sul loro ambiente.

Uno dei motivi per cui le stelle di neutroni sono così importanti per gli astrofisici è che rappresentano lo stato più denso della materia nel nostro universo. Comprendere come si comporta la materia in queste condizioni è un passo importante per svelare i misteri della fisica subatomica e della gravità estrema. Capire le stelle di neutroni, anche se, richiede la comprensione della radiazione che riceviamo da loro, e questo significa contributi dalla stessa stella di neutroni e dal disco circostante.

È qui che entra in gioco la nuova ricerca del professore di fisica e astronomia del College of Charleston Chris Fragile e dei suoi studenti. Il gruppo di Fragile ha eseguito simulazioni al computer studiando le interazioni dei lampi di raggi X con i dischi di accrescimento. Come descrive Fragile, "Fondamentalmente, possiamo modellare in un computer, con una fedeltà ragionevolmente alta, cosa sta succedendo in questi sistemi. Questo ci permette di fare qualcosa come un esperimento scientifico tradizionale senza i pericoli intrinseci di avere una stella di neutroni nel nostro laboratorio".

Simulazioni multiple di tali interazioni burst-disk sono state effettuate utilizzando risorse nel campus del College of Charleston e attraverso un'allocazione di supercalcolo XSEDE (Extreme Science and Engineering Discovery Environment). Da queste simulazioni sono stati scoperti molti risultati notevoli, soprattutto, una significativa interruzione delle parti interne del disco di accrescimento. Molti degli effetti rivelati nelle simulazioni sembrano corrispondere alle prove osservative di dischi distrutti visti dai telescopi a raggi X negli ultimi 15 anni.

"Ero davvero entusiasta di vedere questi risultati, " dice il professore di fisica della Georgia Tech David Ballantyne, un collaboratore di questo lavoro. "Ho studiato questi sistemi per oltre un decennio, cercando di capire cosa ci dicono i dati su come questi dischi rispondono ai burst. I dettagli rivelati da queste simulazioni aprono un modo completamente nuovo di studiare la fisica dei dischi di accrescimento".

Vedere il disco che viene interrotto dal burst e poi riprendersi mentre il burst si attenua fornisce un metodo per studiare i processi interni che fanno funzionare l'accrescimento.

"Mi piace dire che stiamo dando un calcio al disco e guardando cosa succede, " spiega Ballantyne. "Vedere quanto velocemente un disco risponde a un impulso così forte ci permette di scrutare al suo interno. È simile al modo in cui gli scienziati usano i terremoti per conoscere l'interno della Terra".

Il lavoro futuro dovrebbe consentire a Ballantyne di discernere quali sarebbero le firme radiative di questi risultati e fare previsioni per osservazioni future. In questo modo, il team spera di essere in grado di decodificare ciò che sta accadendo nei sistemi di stelle di neutroni reali e nei dischi di accrescimento.

I risultati di questo lavoro sono pubblicati nel 6 gennaio, 2020, problema di Astronomia della natura . Gli autori includono Fragile, Ballantyne e lo studente del College of Charleston Aidan Blankenship.