Kolliderande jättar: Avtäcka mysterierna bakom neutronstjärnsammanslagningar och deras påverkan på neutriner

StockholmTvå neutronstjärnor kan närma sig och slå ihop när de är nära och dras mot varandra. Dessa stjärnor är mycket täta men små och kalla. När de kolliderar, uppstår det en mycket hög temperatur där de vidrör varandra. Nya simuleringar avslöjar intressanta detaljer om hur detta sker.

Så här går det till:

• Varma neutriner skapas.
• Dessa neutriner kan fångas av värmen och tätheten.
• De interagerar svagt med stjärnornas materia.
• Interaktionen hjälper till att föra partiklarna tillbaka mot jämvikt.

Pedro Luis Espino, en postdoktoral forskare vid Penn State och UC Berkeley, ledde en studie tillsammans med ett team av fysiker från Penn State. Deras resultat publicerades i Physical Review Letters. Espino påpekade att vi år 2017 för första gången upptäckte signaler från en sammanslagning av binära neutronstjärnor, inklusive gravitationsvågor. Denna upptäckt ökade intresset för studiet av binära neutronstjärnor avsevärt.

David Radice, biträdande professor vid Penn State, förklarar att neutronstjärnor huvudsakligen består av neutroner, är mycket täta och kan bli extremt heta vid kollisioner. Eftersom fotoner inte kan fly för att kyla ner dem, avger de istället neutriner.

Här är några viktiga punkter från forskningen:

Neutriner bildas när neutroner i stjärnor kolliderar och bryts ned till protoner, elektroner och neutriner. Under en kort period på 2 till 3 millisekunder kan neutriner fångas av den hetta och täthet som uppstår vid en sammandrabbning. Fastän denna fas är kortvarig är den avgörande för att förstå fysiken bakom sådana sammanslagningar. De neutriner som interagerar kan påverka vilka typer av signaler som observeras på Jorden.

Läs också:

Idag · 19:21

Verktyg för framtidsplanering löser utmaningarna med Coloradofloden

Forskarna använde kraftfulla datorer för att undersöka hur två neutronstjärnor slås samman och den fysik som är involverad. De upptäckte att, även om det sker kortvarigt, kan neutriner fångas på grund av värmen och densiteten från sammansmältningen och interagera med materien i stjärnorna.

Radice påpekade att studiet av dessa händelser hjälper oss att förstå ny fysik. Den fas där saker inte är i balans varar bara i 2 till 3 millisekunder, men viktig fysik inträffar under denna korta tid. När systemet återgår till balans får vi en bättre förståelse för fysiken.

Espino påpekade att hur neutriner interagerar med stjärnornas materia kan påverka vibrationerna i de sammanfogade resterna. Dessa vibrationer kan påverka ljus- och gravitationsvågsignaler som vi upptäcker på jorden. Framtida detektorer kan anpassas för att söka efter dessa signalförändringar.

Forskargruppen bestod av postdoktorala forskare Peter Hammond och Rossella Gamba vid Penn State; Sebastiano Bernuzzi, Francesco Zappa och Luís Felipe Longo Micchi vid Friedrich-Schiller-Universität Jena i Tyskland; samt Albino Perego vid universitetet i Trento, Italien. Forskningen finansierades av den amerikanska nationella vetenskapsstiftelsen, USA:s energidepartement, Deutsche Forschungsgemeinschaft och Europeiska unionen.

Simuleringar genomfördes på superdatorerna Bridges2, Expanse, Frontera och Perlmutter. Resurser från National Energy Research Scientific Computing Center användes också. Författarna uttryckte sin tacksamhet till Gauss Centre for Supercomputing för finansiering och för att ha tillhandahållit tid på SuperMUC-NG vid Leibniz Supercomputing Centre.