Zaawansowane symulacje komputerowe 3D ściśle odzwierciedlają rzeczywiste obserwacje światła powstałego w wyniku łączenia się gwiazd neutronowych, co pogłębia naszą wiedzę na temat pochodzenia ciężkich pierwiastków. Nowa, zaawansowana symulacja pozwoliła uzyskać sekwencję cech spektroskopowych podobną do tych, które zaobserwowano dla gwiazdy kilonowej.
Bezprecedensowa zgodność między naszymi symulacjami a obserwacjami kilonowej AT2017gfo wskazuje, że dobrze rozumiemy, co wydarzyło się podczas eksplozji i jej następstw – mówi Luke J. Shingles, naukowiec z GSI/FAIR (GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research/Facility for Antiproton and Ion Research w Darmstadt) i główny autor publikacji. Niedawne obserwacje, które łączą zarówno fale grawitacyjne, jak i światło widzialne, wskazały na łączenie się gwiazd neutronowych jako główne miejsce produkcji wielu pierwiastków.
Interakcje między elektronami, jonami i fotonami w materiale wyrzuconym w wyniku połączenia gwiazd neutronowych determinują własności światła, które możemy zobaczyć przez teleskopy. Procesy te i emitowane światło można modelować za pomocą komputerowych symulacji transferu promieniowania. Niedawno naukowcy po raz pierwszy stworzyli trójwymiarową symulację, która w spójny sposób śledzi fuzję gwiazd neutronowych, nukleosyntezę z wychwytem neutronów, energię pochodzącą z rozpadu radioaktywnego i transfer promieniowania w wyniku dziesiątek milionów przejść atomowych ciężkich pierwiastków .
Ponieważ jest to model 3D, obserwowane światło można przewidzieć dla dowolnego kierunku patrzenia. Patrząc niemal prostopadle do płaszczyzny orbit dwóch gwiazd neutronowych (jak wskazują dowody obserwacyjne dla kilonowej AT2017gfo), model przewiduje sekwencję rozkładów widmowych, które wyglądają niezwykle podobnie do tego, co zaobserwowano dla AT2017gfo. Badania w tym obszarze pomogą nam zrozumieć pochodzenie pierwiastków cięższych od żelaza (takich jak platyna i złoto), które powstają głównie w procesie szybkiego wychwytu neutronów podczas łączenia się gwiazd neutronowych.
Na ilustracji: Wynik symulacji 3D kilonowej: natężęnie światła, temperatura materii i jej prędkość poruszania się. Źródło: Luke J. Shingles i in. 2023 ApJL 954 L41
Około połowa pierwiastków cięższych od żelaza powstaje w środowisku o ekstremalnych temperaturach i gęstościach neutronów, jakie osiąga się, gdy dwie gwiazdy neutronowe łączą się ze sobą. Kiedy w końcu spiralnie zbliżają się do siebie i łączą, wynikająca z tego eksplozja prowadzi do wyrzucenia materii w odpowiednich warunkach, aby wytworzyć niestabilne, ciężkie jądra bogate w neutrony w wyniku sekwencji wychwytów neutronów i rozpadów beta. Jądra te rozpadają się, dążąc do stabilności, i uwalniają energię, która zasila wybuchowy stan przejściowy o nazwie „kilonowa”, w tym jasną emisję światła, które szybko zanika w ciągu około tygodnia.
Symulacja 3D łączy w sobie kilka obszarów fizyki, w tym zachowanie materii przy dużych gęstościach, właściwości niestabilnych ciężkich jąder oraz interakcje ciężkich pierwiastków ze światłem. Aby jednak opis ten był kompletny, konieczne będzie jeszcze uwzględnienie szybkości zmian rozkładu widmowego i opis własności materiału wyrzucanego w późnych momentach.
Przyszły postęp w tej dziedzinie zwiększy precyzję, z jaką możemy przewidywać i rozumieć cechy widm, a także pogłębi naszą wiedzę o warunkach syntezy ciężkich pierwiastków.
Więcej informacji: publikacja "Self-consistent 3D Radiative Transfer for Kilonovae: Directional Spectra from Merger Simulations”, Luke J. Shingles i in. The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acf29a
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Dwie gwiazdy neutronowe w momencie ich połączenia (wizja artystyczna). Źródło: Dana Berry SkyWorks Digital, Inc.
