Neutronitähdet ovat jäänteitä massiivisista tähdistä, jotka räjähtävät supernovaina fuusioiän lopussa. Ne ovat erittäin tiheitä ytimiä, joissa kuolleen tähden ylivoimainen painovoima murskaa kaikki protonit ja elektronit neutroneiksi. Ne ovat pienimpiä ja tiheimpiä tähtikohteita lukuun ottamatta mustia aukkoja ja mahdollisesti muita arkaanisia, hypoteettisia esineitä, kuten kvarkkitähdet .
Kun kaksi neutronitähteä yhdistyvät, voimme havaita tuloksena olevat gravitaatioaallot. Mutta jotkut näiden fuusioiden näkökohdat ovat huonosti ymmärrettyjä. Yksi kysymys liittyy lyhytaikaisiin gammasäteilypurkauksiin näistä fuusioista. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että nämä purkaukset voivat johtua neutronitähtien sulautumisessa syntyneiden raskaiden alkuaineiden hajoamisesta.
Uusi tutkimus vahvistaa ymmärrystämme näistä monimutkaisista fuusioista ja esittelee mallin, joka selittää gammasäteet.
Uusi tutkimus on nimeltään ' Magneettimoottori lyhyille GRB:ille ja Kilonovaille .” Pääkirjoittaja on Philipp Mösta Amsterdamin yliopistosta. Se on julkaistu The Astrophysical Journal Lettersissa.
Kun kaksi neutronitähteä yhdistyvät, syntyy a kilonova . Astrofyysikot ajattelevat, että kilonovaräjähdykset lähettävät lyhyitä gammasäteilypurskeita. Fuusio tuottaa myös raskaita elementtejä, jotka ovat voimakkaan sähkömagneettisen energian lähteitä hajoaessaan.
Taiteilijan näkemys neutronitähtien sulautumisesta, tuottaen gravitaatioaaltoja ja tuloksena kilonova. Kuvan luotto: University of Warwick/Mark Garlick, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63436916
Joillakin neutronitähdillä on erittäin voimakas magneettikenttä. Niitä tähtiä kutsutaan magnetaarit . Magnetaarin ympärillä oleva magneettikenttä voi olla biljoona kertaa voimakkaampi kuin Maan. Magnetaarit pyörivät myös hitaammin kuin muut neutronitähdet. Niiden voimakkaat magneettikentät heikkenevät noin 10 000 vuoden kuluttua, ja tutkijat uskovat, että noin joka kymmenes supernova johtaa magnetaareihin.
Neutronitähtien fuusiot voivat myös luoda magnetaareja, ja siihen tämä uusi tutkimus keskittyy.
Neutronitähtien fuusiot ovat suhteellisen uusi tutkimusala. Vaikka teoretisoitiin pitkään, se tapahtui vasta vuonna 2017 ensimmäinen havaittiin . Näiden fuusioiden havaintojen ansiosta astrofyysikot ovat vahvistaneet asioita, jotka kerran olivat vain teoretisoituja.
Kirjoituksensa johdannossa tutkijat hahmottelevat joitain siitä, mitä kilonovaista jo tiedetään. 'Yhdistyksen aikana ja sen jälkeen sinkoutuva radioaktiivinen materiaali saa aikaan kilonova-transientin ja luo maailmankaikkeuden raskaimmat alkuaineet. Sulautumisjäännöksen ulosvirtaukset voivat laukaista lyhyen gammapurskeen.'
He korostavat myös kahta keskeistä kysymystä, joihin he toivoivat vastaamista: Kuinka nämä fuusiot synnyttävät riittävän nopeita ulosvirtauksia selittämään havaitun sinisen kilonovakomponentin vuoden 2017 kilonovatapahtumassa. Sininen komponentti viittaa vuoden 2017 kilonovassa havaittuun optiseen jälkihehkuun, joka puuttuu muista havaituista lyhyistä gammasäteilypurskeista. Ja voivatko magnetaarit laukaista lyhyitä Gamma-Ray Burst -suihkuja?
Tämä animaatio perustuu sarjaan spektrejä vuoden 2017 kilonovasta, jonka X-shooter-instrumentti havaitsi ESO:n Very Large Telescopessa Chilessä. Ne kattavat 12 päivän ajanjakson alkuperäisen räjähdyksen jälkeen 17. elokuuta 2017. Kilonova on aluksi hyvin sininen, mutta sitten kirkastuu punaisena ja haalistuu.
Luotto:ESO / E. Pian et ai./S. Smartt & ePESSTO / L. Tie
Tähtien tehtävä on syntetisoida raskaampia elementtejä. Ja vaikka neutronitähdet ovat jättäneet fuusion taakseen, niillä on edelleen yksi viimeinen alkuainesynteesin encore. Kun ne yhdistyvät, ne luovat elementtejä, kuten Strontium ja Kulta . Miten nämä tähdet tekevät sen?
Tutkijaryhmä loi yksityiskohtaisemman mallin neutronitähtien sulautumisesta kuin koskaan ennen. Ne sisälsivät muuttujia, kuten suhteellisuusteoria, magneettikentät, neutrinoilmiöt, kaasulait ja ydinfysiikka. He suorittivat simulaationsa kahdella supertietokoneella: Supertietokoneiden raja Texasin yliopistossa Austinissa ja Blue Watersin supertietokone Illinoisin yliopistossa.
Heidän simulaatioidensa paljasti joitain uusia yksityiskohtia fuusioista. Sulautuminen luo renkaan tähtien ympärille, ja gammasäteily kulkee renkaassa ylös ja alas ohuina säikeinä. Yhdistyneet tähdet luovat voimakkaan magneettikentän, ja lopulta gammasäteily kulkee pois kenttäviivoja pitkin.
Siellä on myös tiimalasin muotoinen kartio, joka liikkuu ylös ja alas. Tämän tiimalasin sisällä syntyy raskaampia elementtejä, kuten strontium ja kulta. Mutta gammasäteet ovat simulaatioiden yllättävämpi tulos.
Tutkimusryhmä suoritti työssään neljä erilaista simulaatiota, joista jokaisessa oli hieman erilaisia muuttujia. Erityisesti kolmessa niistä magnetaari loi tiimalasin muodon. Tiimalasin sisään syntyy raskaita elementtejä, kuten strontium ja kulta. Gammasäteily kulkeutuu poispäin magnetaarista magneettikenttälinjoja pitkin, jotka ovat kiertyneet toroidimuotoon. Kuvan luotto: Mösta et al., 2020.
”Gammasäteily on todella uutta tämän tyyppisissä simulaatioissa. Sitä säteilyä ei ollut esiintynyt vanhoissa simulaatioissa', pääkirjailija Mösta sanoi a Lehdistötiedote . 'Raskaiden elementtien, kuten kullan, tuotantoa oli jo simuloitu.'
'Simulaatiomme osoittaa kuitenkin, että nämä raskaat elementit liikkuvat paljon nopeammin kuin aiemmin ennustettiin. Simulaatiomme on siksi enemmän linjassa sen kanssa, mitä tähtitieteilijät havaitsivat sulautuvissa neutronitähtissä vuonna 2017.
Niiden simulaatiot valaisevat myös lyhyitä gammasäteilypurskeita (sGRB). Aikaisemmin tutkijat luulivat, että gammasäteet ovat peräisin kilonovassa syntetisoitujen raskaiden alkuaineiden hajoamisesta. Mutta tämä tutkimus osoittaa, että magnetaarin voimakkaat magneettikentät voivat vahvistaa magnetaarista tulevia materiaalisuihkuja. Nämä suihkukoneet saavuttavat lähes relativistisen nopeuden vapauttaen sGRB:itä. ”…simulaatiomme osoittavat, että NS-fuusioissa muodostuneet magnetaarit ovat lupaava sGRB-moottori.
Relativistiset suihkut eivät tule pelkästään neutronitähtien fuusiojäännöksistä. Ne tulevat myös mustista aukoista. Tämä kuva esittää relativistisia materiaalisuihkuja, jotka virtaavat ulos supermassiivisesta mustasta aukosta. Kiitos: NASA/Dana Berry, SkyWorks Digital
Tämä tutkimus ja tiimin luomat tehokkaat uudet simulaatiot ovat tarjonneet selityksiä joillekin neutronitähtien fuusioista ja kilonovahavainnoista. Mutta tutkijaryhmä ei ole vielä valmis. Kirjoittajat aikovat laajentaa simulaatiotaan kattamaan supernovaräjähdykset ja neutronitähtien sulautumisen mustien aukkojen kanssa.
Lisää:
- Lehdistötiedote: Paranneltu malli näyttää gammasäteet ja kulta sulautuvassa neutronitähdissä
- Uusi tutkimus: Magneettimoottori lyhyille GRB:ille ja Kilonovaille
- Universumi tänään: Tähtitieteilijät näkevät Strontiumin Kilonovan hylkyssä, todiste siitä, että neutronitähtien törmäykset synnyttävät raskaita alkuaineita maailmankaikkeudessa