Sammanslagna neutronstjärnor är utmärkta mål för multibudbärarastronomi. Denna moderna och fortfarande mycket unga metod inom astrofysiken samordnar observationer av olika signaler från en och samma astrofysiska källa. När två neutronstjärnor kolliderar avger de gravitationsvågor, neutriner och strålning över hela det elektromagnetiska spektrumet. För att kunna upptäcka dem måste forskarna komplettera vanliga teleskop som fångar upp ljus med gravitationsvågdetektorer och neutrinoteleskop.
Exakta modeller och förutsägelser av de förväntade signalerna är avgörande för att kunna samordna dessa observatorier, som är mycket olika till sin natur.
”Det är extremt svårt att förutsäga multimessengersignaler från sammansmältningar av binära neutronstjärnor utifrån grundläggande principer. Nu har vi lyckats göra just det”, säger Kota Hayashi, postdoktor vid avdelningen för relativistisk astrofysik vid Max Planck-institutet för gravitationsfysik (Albert Einstein-institutet) i Potsdam Science Park. ”Med hjälp av superdatorn Fugaku i Japan har vi genomfört den längsta och mest komplexa simuleringen av en fusion mellan två neutronstjärnor hittills.”
Simuleringen omfattar 1,5 sekunder i realtid, tog 130 miljoner CPU-timmar att genomföra och höll mellan 20 000 och 80 000 CPU:er sysselsatta samtidigt. Den inkluderar effekterna av Einsteins allmänna relativitetsteori, neutrinoutstrålning och växelverkan mellan starka magnetfält och den högtäta materian inuti de sammansmältande neutronstjärnorna.
Forskningen har accepterats av Physical Review Letters och är för närvarande tillgänglig på arXiv preprint server.
En fullständig bild
Simuleringen börjar med mycket få antaganden – neutronstjärnor med starka magnetfält som kretsar kring varandra – och utvecklar binären på ett självkonsistent sätt över tid baserat på grundläggande fysikaliska principer.
”Vår nya simulering följer binären genom hela dess utveckling: inspiral, fusion och fasen efter fusionen, inklusive jetbildningen. Den ger den första fullständiga bilden av hela processen och därmed värdefull information för framtida observationer av sådana händelser”, förklarar Hayashi.
Inledningsvis kretsar de två neutronstjärnorna (simulerade med 1,25 respektive 1,65 gånger solens massa) fem varv runt varandra. Under denna inspiralfas faller de mot varandra när de förlorar banenergi, som avges i form av gravitationsvågor. På grund av den höga totala massan kollapsar resterna av fusionen omedelbart till ett svart hål. Simuleringen förutsäger gravitationsvågsignalen, den första av de observerbara multimessagersignalerna.
Efter sammanslagningen bildas en skiva av materia runt det kvarvarande svarta hålet. I skivan förstärks magnetfältet av fältlinjernas vindningar och dynamoeffekter. Interaktionen med det svarta hålets snabba rotation intensifierar sedan magnetfältet ytterligare. Detta skapar ett energiutflöde längs det svarta hålets rotationsaxel.
”Vi tror att detta energiflöde längs svarta hålets axel, som drivs av magnetfält, driver en gammastrålningsutbrott”, säger Masaru Shibata, chef för avdelningen för relativistisk astrofysik. ”Detta stämmer överens med vad vi vet från tidigare observationer och ger ytterligare insikt i hur neutronstjärnskollisioner fungerar.”
Förutsägelser om multimessengersignaler
Teamet använder dessutom sin simulering för att beräkna den förväntade neutrinoutstrålningen från binära neutronstjärnskollisioner.
”Vad vi har lärt oss om jetbildning och magnetfältdynamik är avgörande för vår tolkning och förståelse av neutronstjärnskollisioner och deras motsvarigheter”, förklarar Shibata. Simuleringen ger information om hur mycket materia som slungas ut i det interstellära mediet och gör det därmed möjligt att förutsäga kilonova. Detta är den lysande moln av gas och stoft som är rik på tunga grundämnen.
När den första kollisionen mellan två neutronstjärnor den 17 augusti 2017 upptäcktes och övervakades av gravitationsvågdetektorer och därefter av olika andra teleskop, upptäckte forskarna ämnen som guld, som är tyngre än järn. Även om teoretiska fysiker misstänkte att sådana kilonovae producerade dessa särskilt tunga ämnen, bekräftades denna teori för första gången 2017. Endast järn och lättare ämnen kan skapas i stjärnornas inre.
Mer information: Kota Hayashi et al, Jet from binary neutron star merger with prompt black hole formation, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2410.10958
