Naukowcy ukończyli najdłuższą i najbardziej szczegółową symulację łączenia się gwiazd neutronowych w układzie podwójnym. Symulacja, która wymagała 130 milionów godzin procesora, obejmuje 1,5 sekundy czasu rzeczywistego.
Zespół badaczy modelował złożoną fizykę, w tym ogólną teorię względności Einsteina, emisje neutrin i intensywne pola magnetyczne. Symulacja śledzi dramatyczną ewolucję od gwiazd neutronowych spiralnie zbliżających się do siebie do nagłego zapadnięcia się w czarną dziurę, po którym następuje wystrzelenie potężnego dżetu.
Ta symulacja dostarcza kluczowych przewidywań dotyczących sygnału fali grawitacyjnej, rozbłysku neutrin, eksplozji kilonowej i sposobu wyrzucania materii w przestrzeń kosmiczną. Te spostrzeżenia pomagają naukowcom lepiej przygotować się na przyszłe odkrycia i lepiej je interpretować.
Sekrety łączenia się gwiazd neutronowych
Kiedy dwie gwiazdy neutronowe się zderzają, w przestrzeń zostaje wysłana spektakularna seria sygnałów — fale grawitacyjne, błyski światła, strumienie neutrin i wybuchy energii w całym spektrum elektromagnetycznym. Te rzadkie kosmiczne zdarzenia są idealnymi kandydatami do badań dla tzw. astronomii wieloposłańcowej (ang. multi-messenger astronomy), potężnego nowego sposobu obserwacji wszechświata, który łączy informacje z różnych typów detektorów, aby uzyskać pełny obraz jednego zdarzenia.
Aby uchwycić wszystkie te sygnały, naukowcy potrzebują czegoś więcej niż tylko tradycyjnych teleskopów. Polegają na międzynarodowej sieci instrumentów, która obejmuje detektory fal grawitacyjnych, obserwatoria neutrin oraz teleskopy kosmiczne i naziemne. Jednak koordynacja wszystkich tych elementów wymaga bardzo dokładnych modeli, aby dokładnie wiedzieć, czego szukać — i kiedy.
Hayashi i jego zespół wykorzystali japoński superkomputer Fugaku, jeden z najpotężniejszych na świecie, do symulacji zderzenia gwiazd neutronowych od początku do końca. Finalny produkt jest najdłuższą i najbardziej szczegółową symulacją, jaką kiedykolwiek wykonano, pokrywając 1,5 sekundy czasu rzeczywistego. Do jej wykonania zostało zużytych 130 milionów godzin procesora. W szczytowym momencie obliczeń superkomputer Fugaku wykorzystywał 80 000 procesorów jednocześnie.
Uzyskany model zderzających się gwiazd neutronowych uwzględnia efekty ogólnej teorii względności Einsteina, emisje neutrin i intensywne pola magnetyczne, opisując ekstremalne zjawiska fizyczne zachodzące wewnątrz tych gęstych, umierających gwiazd, gdy te się ze sobą łączą i tworzą czarną dziurę.
Zdjęcie z symulacji numerycznej wykonane około 1,3 sekundy po połączeniu się gwiazd neutronowych. Kontury w kolorze niebieskim i zielonym pokazują gęstość materii wokół centralnej pozostałości czarnej dziury. Linie w kolorze magenty pokazują linie pola magnetycznego, a strzałki pokazują wypływ w magnetosferze (dżet). Źródło: K. Hayashi / Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)
1,5 sekundy, 130 milionów godzin procesora
Symulacja ma bardzo niewiele założeń. Początkiem są gwiazdy neutronowe z silnymi polami magnetycznymi krążące wokół siebie, które ewoluują dynamicznie w czasie zgodnie z podstawowymi zasadami fizycznymi.
Nasza nowa symulacja śledzi cały proces ewolucji układu podwójnego: zbliżanie się do siebie, łączenie i fazę po połączeniu, w tym formowanie się dżetu. Zapewnia ona pierwszy kompletny obraz całego procesu, a tym samym cenne informacje do przyszłych obserwacji takich zdarzeń — wyjaśnia Kota Hayashi.
Początkowo dwie gwiazdy neutronowe, o masach 1,25 i 1,65 razy większych od masy naszego Słońca, okrążają się pięć razy. Podczas tej fazy zbliżają się do siebie po torze spiralnym i spadają na siebie, tracąc energię orbitalną, która jest emitowana w postaci fal grawitacyjnych. Ze względu na dużą masę całkowitą pozostałość po połączeniu natychmiast zapada się w czarną dziurę. Symulacja przewiduje powstanie sygnału fali grawitacyjnej, który jako pierwszy dotrze do Ziemi spośród wielu innych sygnałów, jakie astronomowie mogą rejestrować.
Magnetyczny chaos i strumienie energii
Po połączeniu wokół pozostałej czarnej dziury tworzy się dysk materii. W dysku pole magnetyczne jest wzmacniane przez nawijanie linii pola i efekty dynama. Interakcja z szybkim obrotem czarnej dziury jeszcze bardziej wzmacnia pole magnetyczne. Powoduje to wypływ energii wzdłuż osi obrotu czarnej dziury.
Uważamy, że ten przepływ energii wzdłuż osi obrotu czarnej dziury, napędzany przez pola magnetyczne, zasila rozbłysk promieniowania gamma — mówi Masaru Shibata. Zgadza się to z tym, co wiemy z poprzednich obserwacji i dostarcza dalszych informacji na temat mechanizmów łączenia się gwiazd neutronowych.
Przewidywanie neutrin kosmicznych i kilonowych
Zespół wykorzystuje dalej swoją symulację, aby obliczyć spodziewaną emisję neutrin powstających podczas połączeń gwiazd neutronowych. Symulacja dostarcza informacji o tym, ile materii jest wyrzucane do ośrodka międzygwiazdowego, co umożliwia przewidywanie pojawienia się kilonowej.
Kiedy pierwsze zderzenie dwóch gwiazd neutronowych 17 sierpnia 2017 r. zostało wykryte i monitorowane przez detektory fal grawitacyjnych, a następnie przez różne inne teleskopy, naukowcy odkryli pierwiastki, takie jak złoto, które są cięższe od żelaza i które nie powstają we wnętrzach zwykłych gwiazd. Chociaż fizycy teoretyczni podejrzewali, że kilonowe wytwarzają te ciężkie pierwiastki, teoria ta została potwierdzona po raz pierwszy w 2017 r.
Więcej informacji: publikacja “Jet from Binary Neutron Star Merger with Prompt Black Hole Formation” autorów Kota Hayashi i in., 2025, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.211407
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Symulacja pokazuje, jak łączenie się gwiazd neutronowych tworzy czarne dziury, generuje rozbłyski gamma i rozprasza pierwiastki w przestrzeni. Źródło: SciTechDaily.com
