Simulazione numerica di una fusione stellare buco nero-neutrone. Il profilo di densità è mostrato in blu e verde, le linee del campo magnetico che penetrano nel buco nero sono mostrate in rosa. La materia non legata è mostrata in bianco la sua velocità da frecce verdi. Credito:K. Hayashi (Università di Kyoto)
Utilizzando i calcoli del supercomputer, gli scienziati del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam e del Giappone mostrano per la prima volta un quadro coerente:hanno modellato il processo completo della collisione di un buco nero con una stella di neutroni. Nei loro studi, hanno calcolato il processo dalle orbite finali attraverso la fusione alla fase post-fusione in cui, secondo i loro calcoli, potrebbero verificarsi lampi di raggi gamma ad alta energia. I risultati dei loro studi sono stati ora pubblicati sulla rivista Physical Review D .
Sono passati quasi sette anni dalla prima rilevazione delle onde gravitazionali. Il 14 settembre 2015, i rivelatori LIGO negli Stati Uniti hanno registrato il segnale di due buchi neri che si uniscono dalle profondità dello spazio. Da allora sono stati osservati un totale di 90 segnali:da sistemi binari di due buchi neri o stelle di neutroni, e anche da binari misti. Se almeno una stella di neutroni è coinvolta nella fusione, c'è la possibilità che non solo i rivelatori di onde gravitazionali osserveranno l'evento, ma anche i telescopi nello spettro elettromagnetico.
Quando due stelle di neutroni si sono fuse nell'evento rilevato il 17 agosto 2017 (GW170817), circa 70 telescopi sulla Terra e nello spazio hanno osservato i segnali elettromagnetici. Nelle due fusioni di stelle di neutroni con buchi neri osservate finora (GW200105 e GW200115), non sono state rilevate controparti elettromagnetiche delle onde gravitazionali. Ma quando vengono misurati più eventi di questo tipo con i rivelatori sempre più sensibili, i ricercatori si aspettano anche qui osservazioni elettromagnetiche. Durante e dopo la fusione, la materia viene espulsa dal sistema e viene generata la radiazione elettromagnetica. Questo probabilmente produce anche brevi lampi di raggi gamma, come osservato dai telescopi spaziali.
Per il loro studio, gli scienziati hanno scelto due diversi sistemi modello costituiti da un buco nero rotante e una stella di neutroni. Le masse del buco nero sono state fissate rispettivamente a 5,4 e 8,1 masse solari e la massa della stella di neutroni è stata fissata a 1,35 masse solari. Questi parametri sono stati scelti in modo che ci si potesse aspettare che la stella di neutroni venisse fatta a pezzi dalle forze di marea.
"Otteniamo informazioni su un processo che dura da uno a due secondi, sembra breve, ma in realtà accade molto durante quel periodo:dalle orbite finali e dall'interruzione della stella di neutroni da parte delle forze di marea, dall'espulsione della materia, a la formazione di un disco di accrescimento attorno al nascente buco nero e l'ulteriore espulsione di materia in un getto", afferma Masaru Shibata, direttore del Dipartimento di Astrofisica Relativistica Computazionale presso il Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam. "Questo getto ad alta energia è probabilmente anche una ragione per brevi lampi di raggi gamma, la cui origine è ancora misteriosa. I risultati della simulazione indicano anche che la materia espulsa dovrebbe sintetizzare elementi pesanti come oro e platino."
Cosa succede durante e dopo la fusione?
Le simulazioni mostrano che durante il processo di fusione la stella di neutroni viene lacerata dalle forze di marea. Circa l'80% della materia della stella di neutroni cade nel buco nero in pochi millisecondi, aumentando la sua massa di circa una massa solare. Nei successivi circa 10 millisecondi, la materia della stella di neutroni forma una struttura a spirale con un braccio. Parte della materia nel braccio a spirale viene espulsa dal sistema, mentre il resto (0,2–0,3 masse solari) forma un disco di accrescimento attorno al buco nero. Quando il disco di accrescimento cade nel buco nero dopo la fusione, ciò provoca un flusso focalizzato di radiazione elettromagnetica simile a un getto, che alla fine potrebbe produrre un breve lampo di raggi gamma.
Simulazioni di pochi secondi
Il computer a grappolo del dipartimento "Sakura" ha impiegato circa 2 mesi per risolvere le equazioni di Einstein per il processo che richiede circa due secondi. "Tali simulazioni relativistiche generali richiedono molto tempo. Ecco perché i gruppi di ricerca in tutto il mondo si sono finora concentrati solo su brevi simulazioni", spiega la dott.ssa Kenta Kiuchi, capogruppo del dipartimento di Shibata, che ha sviluppato il codice. "Al contrario, una simulazione end-to-end, come quella che abbiamo eseguito ora per la prima volta, fornisce un quadro autoconsistente dell'intero processo per determinate condizioni binarie iniziali che sono definite una volta all'inizio."
Inoltre, solo con simulazioni così lunghe i ricercatori possono esplorare il meccanismo di generazione di brevi lampi di raggi gamma, che in genere durano da uno a due secondi.
Shibata e gli scienziati del suo dipartimento stanno già lavorando a simulazioni numeriche simili ma ancora più complesse per modellare in modo coerente la collisione di due stelle di neutroni e la fase dopo la fusione. + Esplora ulteriormente
