Pierwsza wielkoskalowa symulacja numeryczna połączenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową pasuje do zagadkowych obserwacji.
W roku 2022 naukowcy z Uniwersytetu Northwestern przedstawili nowe, obserwacyjne dowody na to, że długotrwałe rozbłyski gamma (GRB) mogą wynikać z połączenia gwiazdy neutronowej z innym zwartym obiektem, takim jak druga gwiazda neutronowa lub czarna dziura. To odkrycie jest istotne, ponieważ wcześniej uważano, że taki scenariusz jest niemożliwy.
Teraz inny zespół z Northwestern oferuje potencjalne wyjaśnienie tego, co wygenerowało bezprecedensowy i niesamowicie jasny rozbłysk światła.
Po przeprowadzeniu pierwszej symulacji numerycznej, która śledzi ewolucję strumienia w połączeniu czarnej dziury z gwiazdą neutronową na dużych odległościach, astrofizycy dokonali odkrycia. Okazało się, że po połączeniu czarna dziura może wystrzelić strumienie materii z połkniętej gwiazdy neutronowej.
Kluczowymi składnikami w tym procesie są masa dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę oraz siła pola magnetycznego tegoż dysku. W przypadku masywnych dysków, gdzie pole magnetyczne jest silne, czarna dziura jest w stanie wystrzelić krótkotrwały strumień o znacznie większej jasności niż cokolwiek wcześniej zaobserwowanego. Natomiast w przypadku słabszego pola magnetycznego masywnego dysku, czarna dziura wystrzeliwuje strumień o tej samej jasności, ale o dłuższym czasie trwania, co miało miejsce w przypadku tajemniczego rozbłysku gamma GRB 211211A, zaobserwowanego w 2021 roku i zgłoszonego w 2022 roku.
Nowe odkrycie nie tylko pomaga wyjaśnić pochodzenie długich GRB, ale także daje wgląd w naturę i fizykę czarnych dziur, ich pól magnetycznych i dysków akrecyjnych.
Badanie zostało opublikowane w Astrophysical Journal.
Dotychczas nikt inny nie zdołał przeprowadzić żadnych symulacji numerycznych ani śledzić konsekwentnie ewolucji strumienia od momentu połączenia dwóch zwartych obiektów na dużą skalę – powiedział Ore Gottlieb z Northwestern, który był współkierownikiem tych badań. Naszym celem było dokonanie tego po raz pierwszy. I to, co odkryliśmy, okazało się być zgodne z obserwacjami dotyczącymi GRB 211211A.
Połączenie gwiazd neutronowych to fascynujące zjawisko, które generuje wiele nośników, w tym fale grawitacyjne i elektromagnetyczne – powiedział Danat Issa z Northwestern, który współkierował tym projektem razem z Gottliebem. Jednak symulowanie tych wydarzeń stanowiło wyzwanie ze względu na ogromne odległości w skali przestrzennej i czasowej, oraz różnorodną muzykę działającą na tych skalach. Po raz pierwszy udało nam się kompleksowo modelować całą sekwencję procesu łączenia się gwiazd neutronowych.
Kiedy astronomowie po raz pierwszy zaobserwowali GRB 211211A w 2021 roku, początkowo zakładali, że trwające 50 sekund zdarzenie było rezultatem kolapsu masywnej gwiazdy. Jednak analizując późniejszą emisję długotrwałego GRB, znaną jako „poświata”, odkryli dowody na kilonową, rzadkie zdarzenie, które występuje tylko w wyniku połączenia gwiazdy neutronowej z innym zwartym obiektem.
Odkrycie to podważyło od dawna panujące przekonanie, że tylko supernowe mogą generować długie GRB.
GRB 211211A ponownie wzbudziło zainteresowanie pochodzeniem długookresowych GRB, które nie są związane z masywnymi gwiazdami, ale prawdopodobnie pochodzą z połączeń zwartych układów podwójnych – powiedział Gottlieb.
Aby lepiej zrozumieć, co dokładnie dzieje się podczas fuzji, Gottlieb, Issa i ich zespół postanowili zasymulować cały proces – od momentu poprzedzającego połączenie się obiektów, aż do zakończenia zjawiska GRB, kiedy strumienie generujące GRB przestają się emitować. Ze względu na ogromne koszty obliczeniowe, dotychczas nigdy wcześniej nie przeprowadzono kompleksowej symulacji tego scenariusza. Gottlieb i Issa postanowili zmierzyć się z tym wyzwaniem, dzieląc symulację na dwie części.
Najpierw naukowcy przeprowadzili symulację fazy przed fuzją. Następnie wzięli dane wyjściowe z pierwszej symulacji i podłączyli je do symulacji fuzji.
Ponieważ czasoprzestrzeń używana w obu symulacjach różniła się, przeprowadzenie ponownego mapowania nie było tak proste, jak się spodziewaliśmy, ale Danat doskonale sobie z tym poradził – powiedział Alexander Tchekhovskoy, współautor badania.
Fizyka jest bardzo skomplikowana na etapie przed połączeniem, ponieważ istnieją dwa obiekty. Po połączeniu staje się znacznie prostsza, ponieważ istnieje tylko jedna czarna dziura – powiedział Gottlieb.
W symulacji zwarte obiekty najpierw połączyły się, tworząc jedną, bardziej masywną czarną dziurę. Silna grawitacja tej czarnej dziury przyciągnęła do niej szczątki zniszczonej gwiazdy neutronowej. Zanim szczątki te wpadły do czarnej dziury, część z nich najpierw wirowała wokół niej, tworząc dysk akrecyjny. W tej konkretnie badanej konfiguracji powstający dysk był szczególnie masywny, o masie równoważnej 1/10 masy naszego Słońca. Gdy masa z dysku opadła do czarnej dziury, wywołała ona wystrzelenie strumienia, który przyspieszył do prędkości bliskiej prędkości światła.
Niespodzianka pojawiła się, gdy naukowcy dostosowali siłę pola magnetycznego masywnego dysku. Okazało się, że silne pole magnetyczne powodowało powstanie krótkiego, ale niezwykle jasnego wybuchu gamma (GRB), podczas gdy słabe pole magnetyczne generowało strumień, który odpowiadał obserwacjom długich GRB.
Im silniejsze pole magnetyczne, tym krótszy jest czas trwania GRB – powiedział Gottlieb. Słabe pola magnetyczne natomiast generują słabsze strumienie, które nowo powstała czarna dziura może utrzymywać przez dłuższy czas. Kluczowym elementem w tym procesie jest masywny dysk, który, wraz ze słabym polem magnetycznym, może generować GRB zgodne z obserwacjami, o porównywalnej jasności i długim czasie trwania, podobnie jak GRB 211211A. Chociaż ten konkretny układ podwójny doprowadził do powstania długiego GRB, naukowcy oczekują, że inne fuzje układów podwójnych, które tworzą masywne dyski, również mogą prowadzić do podobnych rezultatów. Wszystko sprowadza się do masy dysku po połączeniu.
Oczywiście „długi” jest w tym scenariuszu pojęciem względnym. Rozbłyski gamma są podzielone na dwie klasy. GRB o czasie trwania krótszym niż dwie sekundy są uważane za krótkie, podczas gdy te trwające dwie sekundy lub dłużej są klasyfikowane jako długie. Nawet tak krótkie zdarzenia są niezwykle trudne do modelowania.
Większa część materii dysku zostaje ostatecznie pochłonięta przez czarną dziurę, a cały proces trwa zaledwie kilka sekund – powiedział Issa. Tutaj leży główne wyzwanie: bardzo trudno jest uchwycić ewolucję tych fuzji za pomocą symulacji na superkomputerach w ciągu kilku sekund.
Teraz, gdy Gottlieb i Issa z powodzeniem i kompleksowo wymodelowali pełną sekwencję fuzji, z radością mogą kontynuować aktualizację i ulepszanie swoich modeli.
Moje obecne wysiłki są ukierunkowane na zwiększenie fizycznej dokładności symulacji – powiedział Issa. Wiąże się to z zastosowaniem chłodzenia neutrin, istotnego elementu, który może znacząco wpłynąć na dynamikę procesu łączenia. Co więcej, włączenie neutrin stanowi kluczowy krok w kierunku dokładniejszej oceny składu jądrowego materii wyrzucanej w wyniku tych połączeń. Dzięki takiemu podejściu moim celem jest zapewnienie bardziej kompleksowego i dokładniejszego obrazu fuzji gwiazd neutronowych.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Unprecedented gamma-ray burst explained by long-lived jet
- Large-scale Evolution of Seconds-long Relativistic Jets from Black Hole–Neutron Star Mergers
Źródło: Northwestern
Na ilustracji: Lokalizacji rozbłysku gamma 211211A oznaczona czerwonym kółkiem. Źródło: NASA, ESA, Rastinejad i inni
