Повторяющийся свет слияния нейтронных звезд

Сложное 3D-компьютерное моделирование успешно воспроизвело спектральные особенности, наблюдавшиеся во время слияния нейтронных звезд, напоминающего событие килоновой звезды.

По словам Люка Шинглса, ведущего автора публикации в The Astrophysical Journal Letters и ученого из GSI/FAIR, это замечательное совпадение между нашими симуляциями и реальным миром. Событие Килоновой (AT2017gfo) Демонстрирует широкое понимание взрыва и его последствий. Недавние наблюдения, сочетающие гравитационные волны и данные видимого света, определили слияние нейтронных звезд как основной источник производства элементов. Исследование провели ученые из GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung и Королевского университета Белфаста.

3D-моделирование и атомный транспорт

Свет, видимый через телескопы, который возникает из материала, выброшенного во время слияния нейтронных звезд, определяется взаимодействием между электронами, ионами и фотонами. Эти сложные процессы и возникающий в результате излучаемый свет можно эффективно представить с помощью компьютерного моделирования переноса излучения. В ходе новаторской разработки исследователи создали 3D-моделирование, которое плавно отслеживает всю последовательность событий, включая слияние нейтронных звезд, ядерный синтез для захвата нейтронов, энергию, выделяемую в результате радиоактивного распада, и перенос излучения. Эти симуляции представляют десятки миллионов атомных превращений с участием тяжелых элементов.

Благодаря своей трехмерной природе эта модель позволяет наблюдать свет под разными углами обзора. При наблюдении с точки зрения, примерно перпендикулярной плоскости орбит двух нейтронных звезд, что согласуется с наблюдениями килоновой звезды AT2017gfo, модель предсказывает серию спектральных закономерностей, которые очень похожи на то, что было обнаружено в AT2017gfo.

«Исследования в этой области помогут нам понять происхождение элементов тяжелее железа (таких как платина и золото), которые производятся в основном за счет захвата быстрых нейтронов при слиянии нейтронных звезд», — говорит Шингельс.

Почти половина элементов таблицы Менделеева после железа синтезируются в средах, характеризующихся экстремальными температурами и исключительно высокой плотностью нейтронов.

Эти условия выполняются, когда две нейтронные звезды сходятся и сливаются. Когда они приближаются и сливаются, взрыв выбрасывает вещество в условиях, которые приводят к образованию нестабильных, тяжелых, богатых нейтронами атомных ядер посредством каскада захвата нейтронов и бета-распада. Эти вновь образовавшиеся ядра в конечном итоге распадаются на стабильные формы, высвобождая энергию, которая питает драматический феномен, известный как переходная килоновая звезда. Это событие приводит к яркой вспышке света, которая быстро угасает примерно через неделю.

Высококачественные экспериментальные данные

Это 3D-моделирование объединяет различные физические поля, свойства окружающей материи при экстремальных плотностях, особенности нестабильных тяжелых ядер и взаимодействия между атомами и светом с участием тяжелых элементов.

Остаются неизбежные проблемы, такие как определение скорости изменений спектрального распределения и выяснение поведения выброшенных материалов на поздних стадиях. Прогресс в этой области повысит точность наших предсказаний и понимание спектральных особенностей, расширяя наши знания об условиях возникновения тяжелых элементов. Решающее значение для разработки этих моделей имеет наличие высококачественных экспериментальных данных об атомах и ядрах, которые предоставит установка FAIR.