Botsende reuzen: geheimen van neutronensterfusies onthuld door nieuwe simulaties

AmsterdamTwee neutronensterren kunnen samensmelten wanneer ze dicht bij elkaar komen en in elkaars zwaartekracht vallen. Deze sterren zijn extreem dicht, maar klein en koud. Bij een botsing tussen hen wordt het op het raakpunt extreem heet. Nieuwe simulaties geven interessante details vrij over hoe dit proces plaatsvindt.

Dit gebeurt er:

• Hete neutrino's worden gevormd.
• Deze neutrino's kunnen vastgehouden worden door hitte en dichtheid.
• Ze hebben een zwakke interactie met de materie van sterren.
• De interactie helpt de deeltjes terug in evenwicht te brengen.

Pedro Luis Espino, een postdoctoraal onderzoeker bij Penn State en UC Berkeley, leidde een studie met een team van natuurkundigen van Penn State. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Physical Review Letters. Espino merkte op dat we in 2017 voor het eerst signalen detecteerden van een fusie van een dubbel neutronenster, inclusief zwaartekrachtsgolven. Deze ontdekking zorgde voor een enorme toename van de interesse in de studie van dubbele neutronensterren.

David Radice, assistent-professor aan Penn State, legt uit dat neutronensterren voornamelijk uit neutronen bestaan, zeer dicht zijn en extreem heet kunnen worden bij een botsing. Omdat fotonen niet kunnen ontsnappen om ze af te koelen, stoten ze in plaats daarvan neutrino's uit.

Hier zijn enkele belangrijke bevindingen uit het onderzoek:

• Neutrino's ontstaan wanneer neutronen in sterren botsen en uiteenvallen in protonen, elektronen en neutrino's.
• Gedurende 2 tot 3 milliseconden kunnen neutrino's gevangen worden door de hitte en dichtheid van de fusie.
• Deze korte fase is essentieel om de fysica van de fusie te begrijpen.
• De interactie van neutrino's kan invloed hebben op de signalen die op Aarde worden waargenomen.

Lees ook:

Vandaag · 23:18

Olifantenzeehonden keren verbluffend terug na bijna uitsterving

De onderzoekers maakten gebruik van krachtige computers om de samenvoeging van twee neutronensterren en de bijbehorende fysica te bestuderen. Ze ontdekten dat neutrino's, ondanks hun korte aanwezigheid, kunnen worden gevangen door de hitte en dichtheid van de botsing, waardoor ze met de materie in de sterren interageren.

Radice verklaarde dat het bestuderen van deze gebeurtenissen ons helpt om nieuwe natuurkunde te ontdekken. De fase waarin dingen niet in balans zijn, duurt slechts 2 tot 3 milliseconden, maar tijdens deze korte periode vindt er belangrijke natuurkunde plaats. Wanneer het systeem weer in balans is, begrijpen we de natuurkunde beter.

Espino stelde dat de manier waarop neutrino's met de sterrenstoffen reageren, de trillingen in de samengesmolten overblijfselen kan beïnvloeden. Deze trillingen kunnen een effect hebben op de licht- en zwaartekrachtsignalen die we op aarde waarnemen. Toekomstige detectoren kunnen zo ontworpen worden dat ze deze signaalverschillen kunnen opsporen.

Het onderzoeksteam bestond uit postdoctorale onderzoekers Peter Hammond en Rossella Gamba van Penn State, Sebastiano Bernuzzi, Francesco Zappa en Luís Felipe Longo Micchi van de Friedrich-Schiller-Universiteit Jena in Duitsland, en Albino Perego van de Universiteit van Trento in Italië. Het onderzoek werd gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation, het Amerikaanse Ministerie van Energie, de Deutsche Forschungsgemeinschaft en de Europese Unie.

Simulaties werden uitgevoerd op de supercomputers Bridges2, Expanse, Frontera en Perlmutter. Ook werden de middelen van het National Energy Research Scientific Computing Center benut. De auteurs bedankten het Gauss Centre for Supercomputing voor de financiering en het beschikbaar stellen van rekentijd op de SuperMUC-NG bij het Leibniz Supercomputing Centre.