När två neutronstjärnor smäller ihop, resultatet är ibland ett svart hål som sväljer allt utom gravitationsbevisen för kollisionen. Dock, i en serie simuleringar, ett internationellt team av forskare inklusive en forskare från Penn State fastställde att dessa typiskt tysta – åtminstone när det gäller strålning vi kan upptäcka på jorden – kan kollisioner ibland vara mycket bullrigare.

"När två otroligt täta kollapsade neutronstjärnor kombineras för att bilda ett svart hål, starka gravitationsvågor dyker upp från nedslaget, sa David Radice, biträdande professor i fysik och i astronomi och astrofysik vid Penn State och en medlem av forskargruppen. "Vi kan nu fånga upp dessa vågor med hjälp av detektorer som LIGO i USA och Jungfrun i Italien. Ett svart hål sväljer vanligtvis all annan strålning som kunde ha kommit ur sammanslagningen som vi skulle kunna upptäcka på jorden, men genom våra simuleringar, vi upptäckte att så kanske inte alltid är fallet."

Forskargruppen fann att när massorna av de två kolliderande neutronstjärnorna är tillräckligt olika, den större följeslagaren sliter isär den mindre. Detta orsakar en långsammare sammanslagning som gör att en elektromagnetisk "bang" kan fly. Astronomer borde kunna upptäcka denna elektromagnetiska signal, och simuleringarna ger signaturer för dessa bullriga kollisioner som astronomer kan leta efter från jorden.

Forskargruppen, som inkluderar medlemmar i det internationella samarbetet CoRe (Computational Relativity), beskriv deras fynd i en tidning som visas online i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

"Nyligen, LIGO tillkännagav upptäckten av en fusionshändelse där de två stjärnorna möjligen har väldigt olika massa, " sade Radice. "Den huvudsakliga konsekvensen i detta scenario är att vi förväntar oss denna mycket karakteristiska elektromagnetiska motsvarighet till gravitationsvågsignalen."

Efter att ha rapporterat den första upptäckten av en sammanslagning av neutronstjärnor 2017, under 2019, LIGO-teamet rapporterade den andra, som de döpte till GW190425. Resultatet av kollisionen 2017 handlade om vad astronomer förväntade sig, med en total massa på cirka 2,7 gånger vår sols massa och var och en av de två neutronstjärnorna ungefär lika stora. Men GW190425 var mycket tyngre, med en sammanlagd massa på cirka 3,5 solmassor och förhållandet mellan de två deltagarna mer ojämlikt – möjligen så högt som 2 till 1.

"Medan en skillnad på 2 till 1 i massa kanske inte verkar vara en stor skillnad, endast ett litet intervall av massor är möjligt för neutronstjärnor, sa Radice.

Neutronstjärnor kan bara existera i ett smalt intervall av massor mellan cirka 1,2 och 3 gånger vår sols massa. Lättare stjärnrester kollapsar inte och bildar neutronstjärnor utan bildar istället vita dvärgar, medan tyngre föremål kollapsar direkt för att bilda svarta hål. När skillnaden mellan de sammanslagna stjärnorna blir lika stor som i GW190425, forskare misstänkte att sammanslagningen kunde bli stökigare - och starkare i elektromagnetisk strålning. Astronomer hade inte upptäckt någon sådan signal från GW190425:s plats, men täckningen av det området av himlen med konventionella teleskop den dagen var inte tillräckligt bra för att utesluta det.

För att förstå fenomenet med ojämlika neutronstjärnor som kolliderar, och att förutsäga signaturer av sådana kollisioner som astronomer kan leta efter, forskargruppen körde en serie simuleringar med Pittsburgh Supercomputing Centers Bridges-plattform och San Diego Supercomputer Centers Comet-plattform – båda i National Science Foundations XSEDE-nätverk av superdatorcenter och datorer – och andra superdatorer.

Forskarna fann att när de två simulerade neutronstjärnorna spiralerade in mot varandra, gravitationen av den större stjärnan slet isär sin partner. Det innebar att den mindre neutronstjärnan inte träffade sin mer massiva följeslagare på en gång. Den första dumpningen av den mindre stjärnans materia förvandlade den större till ett svart hål. Men resten av saken var för långt borta för att det svarta hålet skulle kunna fångas omedelbart. Istället, det långsammare regnet av materia in i det svarta hålet skapade en blixt av elektromagnetisk strålning.

Forskargruppen hoppas att den simulerade signaturen de hittade kan hjälpa astronomer att använda en kombination av gravitationsvågsdetektorer och konventionella teleskop för att upptäcka de parade signalerna som skulle förebåda upplösningen av en mindre neutronstjärna som smälter samman med en större.

Simuleringarna krävde en ovanlig kombination av beräkningshastighet, enorma mängder minne, och flexibilitet i att flytta data mellan minne och beräkning. Teamet använde cirka 500 datorkärnor, springer i veckor i taget, över cirka 20 separata instanser. De många fysiska storheter som måste tas med i varje beräkning krävde ungefär 100 gånger så mycket minne som en typisk astrofysisk simulering.

"Det finns mycket osäkerhet kring egenskaperna hos neutronstjärnor, sade Radice. För att förstå dem, vi måste simulera många möjliga modeller för att se vilka som är kompatibla med astronomiska observationer. En enda simulering av en modell skulle inte säga oss mycket; vi behöver utföra ett stort antal ganska beräkningsintensiva simuleringar. Vi behöver en kombination av hög kapacitet och hög kapacitet som bara maskiner som Bridges kan erbjuda. Detta arbete skulle inte ha varit möjligt utan tillgång till sådana nationella superdatorresurser."