Po tym, jak masywna gwiazda spali swoje paliwo i wybuchnie jako supernowa, może powstać niezwykle zwarty obiekt znany jako gwiazda neutronowa. Gwiazdy neutronowe są bardzo gęste: aby uzyskać ich gęstość, należałoby zmniejszyć duże ciało takie jak nasze Słońce do rozmiarów miasta takiego jak Frankfurt.
W 2017 roku po raz pierwszy na Ziemi można było bezpośrednio zmierzyć fale grawitacyjne, małe zmarszczki w czasoprzestrzeni, które powstają podczas zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Jednak dokładny skład powstałego gorącego i gęstego produktu fuzji jest nieznany. Na przykład obecnie nie wiadomo, czy kwarki, które normalnie są uwięzione w neutronach, mogą po zderzeniu wyłonić się w postaci swobodnej.
Centrum Fizyki Teoretycznej Azji i Pacyfiku w Pohang w Korei Południowej dr Matti Järvinen, dr Tuna Demircik i dr Christian Ecker z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie w Niemczech stworzyli teraz nowy model, który pozwala im aby zbliżyć się o krok bliżej do odpowiedzi na to pytanie. Łączą oni modele z fizyki jądrowej, które nie mają zastosowania przy dużych gęstościach, z metodą stosowaną w teorii strun do opisu przejścia w gęstą i gorącą materię kwarkową.
Ilustracja nowej metody: naukowcy wykorzystują pięciowymiarowe czarne dziury (po prawej) do obliczenia diagramu fazowego silnie sprzężonej materii (w środku), umożliwiając symulacje łączenia się gwiazd neutronowych i wytwarzanych fal grawitacyjnych (po lewej). Źródło: Uniwersytet Goethego we Frankfurcie / Centrum Fizyki Teoretycznej Azji i Pacyfiku, Pohang
Nasza metoda wykorzystuje matematyczny związek występujący w teorii strun, a mianowicie zgodność między pięciowymiarowymi czarnymi dziurami a silnie oddziałującą materią, aby opisać przejście fazowe między gęstą materią jądrową a kwarkową – wyjaśniają dr Demircik i dr Järvinen.
Użyliśmy już nowego modelu w symulacjach komputerowych do obliczenia sygnału fali grawitacyjnej z tych zderzeń i wykazaliśmy, że można w ten sposób wytworzyć zarówno gorącą, jak i zimną materię kwarkową – dodaje dr Ecker, który zaimplementował te symulacje we współpracy z Samuelem Tootle i Konrad Topolski z grupy roboczej prof. Luciano Rezzolla na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie.
W tej animacji skazane na zagładę gwiazdy neutronowe wirują ku zagładzie. Fale grawitacyjne (jasne łuki) wysysają energię z orbity, powodując, że gwiazdy zbliżają się do siebie i łączą. Gdy gwiazdy się zderzają, część szczątków wyrzucana jest w postaci strumieni cząstek poruszających się z prędkością bliską prędkości światła, wytwarzając krótki rozbłysk promieni gamma (magenta). Oprócz ultraszybkich dżetów napędzających promieniowanie gamma, fuzja generuje również wolniej poruszające się szczątki. Odpływ napędzany akrecją na pozostałość po fuzji emituje szybko zanikające światło ultrafioletowe (fiolet). Gęsty obłok gorących szczątków oderwanych od gwiazd neutronowych tuż przed zderzeniem wytwarza światło widzialne i podczerwone (od niebiesko-białego do czerwonego). Poświata UV, optyczna i bliskiej podczerwieni jest zbiorczo określana jako kilonowa. Później, gdy pozostałości strumienia skierowanego w naszą stronę rozszerzyły się na naszą linię wzroku, wykryto promieniowanie rentgenowskie (niebieskie). Ta animacja przedstawia zjawiska zaobserwowane do dziewięciu dni po GW170817. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center/CI Lab
Następnie naukowcy mają nadzieję, że będą w stanie porównać swoje symulacje z przyszłymi falami grawitacyjnymi mierzonymi z kosmosu, aby uzyskać dalszy wgląd w materię kwarków w zderzeniach gwiazd neutronowych.
Więcej informacji:
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Rozbłyski światła powstające podczas zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Źródło: NASA
