Forskare blir bättre på att modellera den komplexa härvan av fysikegenskaper som spelar in i en av de mest kraftfulla händelserna i det kända universum:sammanslagning av två neutronstjärnor.

Neutronstjärnor är de snabbt snurrande, ultratäta skal av större stjärnor som exploderade som supernovor. De mäter cirka 12 mil i diameter, och en enda tesked neutronstjärnematerial väger så mycket som 1, 125 Golden Gate-broar, eller 2, 735 Empire State-byggnader.

Den 17 augusti, 2017, forskare observerade en signatur av gravitationsvågor - krusningar i rymdtidens struktur - och även en tillhörande explosiv explosion, känd som en kilonova, som bäst förklarades av sammanslagning av två neutronstjärnor. Och igen den 25 april, 2019, en annan trolig neutron-stjärna-fusion-händelse, baserat enbart på en gravitationsvågsmätning.

Även om dessa händelser kan hjälpa till att jämföra och validera de fysikmodeller som forskare utvecklar för att förstå vad som fungerar i dessa sammanslagningar, forskare måste fortfarande i huvudsak börja från början för att bygga in rätt fysik i dessa modeller.

I en studie publicerad i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society tidning, ett team ledd av forskare vid Northwestern University simulerade bildandet av en skiva av materia, en gigantisk skur av utstött materia, och uppstarten av energiska jetstrålar runt det kvarvarande föremålet – antingen en större neutronstjärna eller ett svart hål – i efterdyningarna av denna sammanslagning.

Teamet inkluderade forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Berkeley, University of Alberta, och University of New Hampshire.

För att göra modellen mer realistisk än i tidigare ansträngningar, teamet byggde tre separata simuleringar som testade olika geometrier för de kraftfulla magnetfält som omger sammanslagningen.

"Vi utgår från en uppsättning fysiska principer, utföra en beräkning som ingen har gjort på den här nivån tidigare, och sedan fråga, "Är vi någorlunda nära observationer eller saknar vi något viktigt?" sa Rodrigo Fernández, en medförfattare till den senaste studien och en forskare vid University of Alberta.

3D-simuleringarna de genomförde, som inkluderade beräkningstid vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), involverade mer än 6 miljoner timmars CPU-tid (databehandlingsenhet).

Simuleringarna står för GRMHD-effekter (generell relativistisk magnetohydrodynamik), som inkluderar egenskaper associerade med magnetfält och vätskeliknande materia, samt egenskaperna hos materia och energi som färdas med nästan ljusets hastighet. Forskare noterade att simuleringarna också kan vara användbara för att modellera sammanslagning av ett svart hål med en neutronstjärna.

För att simulera kilonovautbrotten - en elementskapande händelse som forskare tror är ansvarig för att så utrymme med tunga element - gjorde teamet uppskattningar av dess totala utstötta massa, dess medelhastighet, och dess sammansättning.

"Med dessa tre storheter kan man uppskatta om ljuskurvan skulle ha rätt ljusstyrka, Färg, och evolutionstid, sa Fernandez.

Det finns två generaliserade komponenter i dessa kilonova-utbrott – den ena utvecklas under loppet av dagar och kännetecknas av signaturljuset med blå frekvens som det avger när det är som mest, och den andra varar i veckor och har en tillhörande färgtopp av nära-infrarött ljus.

De senaste simuleringarna är utformade för att modellera dessa blå och röda komponenter av kilonovaer.

Simuleringarna hjälper också till att förklara lanseringen av kraftfulla energijetstrålar som emanerar utåt i fusionens efterdyningar, inklusive en "randig" karaktär av jets på grund av effekterna av kraftfulla, alternerande magnetfält. Dessa strålar kan observeras som en explosion av gammastrålar, som med 2017 års evenemang.

Daniel Kasen, en vetenskapsman vid Nuclear Science Division vid Berkeley Lab och en docent i fysik och astronomi vid UC Berkeley, sa, "Magnetiska fält ger ett sätt att utnyttja energin från ett snurrande svart hål och använda den för att skjuta gasstrålar som rör sig med nära ljusets hastighet. Sådana strålar kan producera skurar av gammastrålar, samt utökad radio- och röntgenstrålning, som alla sågs i evenemanget 2017."

Fernández erkände att simuleringarna inte exakt speglar observationer ännu - simuleringarna visade en lägre massa för det blå kilonovabidraget jämfört med det röda - och att bättre modeller av den hypermassiva neutronstjärnan som härrör från sammanslagningen och av de rikliga neutrinerna - spöklika partiklar att färdas genom de flesta typer av ärenden opåverkade – associerade med fusionshändelsen behövs för att förbättra modellerna.

Modellen gynnades av modeller av materiens skivor (tillväxtskivor) som cirkulerar svarta hål, såväl som modeller av neutrinokylningsegenskaper, volymen neutroner och protoner associerade med sammanslagningen, och den materiaskapande processen som är förknippad med kilonovan.

Kasen noterade att datorresurser vid Berkeley Lab "låt oss titta in i de mest extrema miljöerna - som denna turbulenta bubbelpool som skvalpar utanför ett nyfödd svart hål - och se och lära oss hur de tunga elementen tillverkades."

Simuleringarna tyder på att neutronstjärnans sammanslagning som observerades i augusti 2017 sannolikt inte bildade ett svart hål i dess omedelbara efterdyningar, och att de starkaste magnetfälten var munkformade. Också, simuleringarna överensstämde till stor del med några långvariga modeller för vätskebeteende.