Konstnärens föreställning om två neutronstjärnor som kolliderar. En U of A-forskare har skapat en 3D-datorsimulering som ger forskare en tydligare bild av vad som händer i efterdyningarna av kollisionen. Kredit:Robin Dienel, Carnegie Institute for Science
Oöverträffad detalj av efterdyningarna av en kollision mellan två neutronstjärnor avbildad i en 3D-datormodell skapad av en astrofysiker vid University of Alberta ger en bättre förståelse för hur några av universums grundläggande element bildas i kosmiska kollisioner.
"Kollisionen skapar tunga element inklusive guld och bly, sa Rodrigo Fernández, som arbetade med ett internationellt forskarlag som använde superdatorer vid U.S. National Energy Research Scientific Computing Center och data från en kollisionsforskare som upptäcktes i augusti 2017 – den första sådan kollision som någonsin observerats.
"Vi såg också för första gången en gammastrålning från två neutronstjärnor som kolliderar. Det kommer en stor mängd vetenskap ur den upptäckten, " han lade till, inklusive att hjälpa forskare att beräkna massan av neutronstjärnorna och till och med bekräfta hur snabbt universum expanderar.
Neutronstjärnor är de minsta och tätaste stjärnorna, packar mer massa än jordens sol i ett område lika stort som en stad. När två av dem kolliderar, de smälter samman i en blixt av ljus och skräp känd som en kilonova, när materialet exploderar utåt.
Tills nu, datorsimuleringar av kollisionerna har inte varit sofistikerade nog för att redogöra för var allt det materialet hamnar.
Till exempel, den nya 3-D-modellen visar att ansamlingsskivan – samlingen av överblivet skräp som kretsar runt den kombinerade stjärnan – skjuter ut dubbelt så mycket material och med högre hastigheter jämfört med tidigare 2-D-modeller.
Ett tvärsnitt av modellen av två kolliderande neutronstjärnor visar ansamlingsskivan i rött runt det svarta hålet i mitten. Den astrofysiska jetstrålen är den blå tratten ovanför och under det svarta hålet. Kredit:Rodrigo Fernández
"Medan våra resultat inte helt överensstämmer med alla avvikelser, de för siffrorna närmare varandra, "Fernández sa, och tillägger att hans modell ger en bättre förståelse för hur tunga element skapas och kastas ut i rymden.
Genom att modellera efterdyningarna av kollisionen så detaljerat, Fernández och teamet kunde också redogöra för ett annat sätt att materia kastas ut från kollisionen:på ett astrofysiskt jetplan, en smal plym av partiklar och strålning sköt ut med nästan ljusets hastighet när stjärnorna kolliderar. Strålen tros också vara källan till gammastrålningen.
"Det förväntades att vi kunde hitta jetplan, men det här är första gången vi har kunnat modellera detta tillräckligt detaljerat för att se den här effekten uppstå, " förklarade Fernandez.
Att modellera händelsen i 3D var ingen lätt uppgift, han lade till. Även om en kollision med neutronstjärnor sker på bara millisekunder, Accretion-skivan kan hålla i sekunder. Dess bildning involverar också komplex fysik och många fysiska processer som alla sker på en gång, gör det mycket svårare för datorer att simulera.
"Bland processerna på jobbet, huvudboven är faktiskt magnetfältet som verkar på saken, " noterade Fernández. "Vi känner till ekvationerna som beskriver den processen, men det enda sättet att vi kan beskriva dem korrekt är i 3D. Så, inte bara måste du köra simuleringen under lång tid, du måste också modellera den i tre dimensioner, vilket är beräkningsmässigt mycket dyrt.
"Simuleringens tekniska aspekter är imponerande ur vetenskaplig synvinkel eftersom interaktionerna är så komplexa."
Studien, "Långsiktiga GRMHD-simuleringar av Neutron Star Merger Accretion Disks:Implikationer för elektromagnetiska motsvarigheter, " publicerades i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .
