Nu när forskare kan upptäcka de snurriga snedvridningarna i rymdtid som skapats genom sammanslagningen av massiva svarta hål, de siktar på dynamiken och efterdyningarna av andra kosmiska duos som förenas i katastrofala kollisioner.

Arbeta med ett internationellt team, forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat nya datormodeller för att utforska vad som händer när ett svart hål förenas med en neutronstjärna - en superdens rest av en exploderad stjärna.

Använda superdatorer för att riva öppna neutronstjärnor

Simuleringarna, utförs delvis vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), är avsedda att hjälpa detektorer att komma in på gravitationsvågssignalerna. Teleskop, för, kan söka efter de strålande utbrotten av gammastrålar och skenet av det radioaktiva materialet som dessa exotiska händelser kan spruta ut i det omgivande rummet.

I separata artiklar publicerade i en specialutgåva av den vetenskapliga tidskriften Klassisk och kvantitet , Berkeley Lab och andra forskare presenterar resultaten av detaljerade simuleringar.

En av studierna modellerar de första millisekunderna (tusendelar av en sekund) i sammanslagningen av ett svart hål och en neutronstjärna, och de andra detaljerna separerar simuleringar som modellerar bildandet av en materialskiva som bildas inom några sekunder efter sammanslagningen, och av utvecklingen av materia som kastas ut i fusionen.

Det utkastade materialet inkluderar sannolikt guld och platina och en rad radioaktiva element som är tyngre än järn.

All ny information som forskare kan samla om hur neutronstjärnor sliter isär i dessa sammanslagningar kan hjälpa till att låsa upp sina hemligheter, eftersom deras inre struktur och deras troliga roll i att såda universum med tunga element fortfarande är höljda i mystik.

"Vi lägger stadigt till mer realistisk fysik till simuleringarna, "sa - Foucart, som fungerade som huvudförfattare för en av studierna som postdoktor vid Berkeley Labs Nuclear Science Division.

"Men vi vet fortfarande inte vad som händer inuti neutronstjärnor. Den komplicerade fysiken som vi behöver modellera gör simuleringarna mycket beräkningsmässigt intensiva."

Hitta tecken på en sammanslagning av neutronstjärnor med svart hål

Foucart, som snart blir biträdande professor vid University of New Hampshire, Lagt till, "Vi försöker gå mer mot att faktiskt göra modeller av gravitationella vågssignaler som produceras av dessa fusioner, "som skapar en krusning i rymdtid som forskare hoppas kan upptäckas med förbättringar av känsligheten hos experiment inklusive Advanced LIGO, laserinterferometern Gravitational-Wave Observatory.

I februari 2016, LIGO -forskare bekräftade den första upptäckten av en gravitationell våg, tros genereras genom sammanslagningen av två svarta hål, var och en med massor cirka 30 gånger större än solen.

Signalerna från en neutronstjärna som smälter samman med svarta hål eller en annan neutronstjärna förväntas generera gravitationella vågor som är något svagare men liknande dem för sammanslagningar av svarta hål-svarta hål, Sa Foucart.

Radioaktivt "avfall" i rymden

Daniel Kasen, en forskare vid Nuclear Science Division vid Berkeley Lab och docent i fysik och astronomi vid UC Berkeley som deltog i forskningen, sa att inuti neutronstjärnor "kan det finnas exotiska tillstånd av materia till skillnad från någonting som realiseras någon annanstans i universum."

I vissa datasimuleringar svalde neutronstjärnorna hela av det svarta hålet, medan det i andra var en bråkdel av materia som hostade upp i rymden. Detta utmatade material beräknas sträcka sig till ungefär en tiondel av solens massa.

Medan mycket av saken sugs in i det större svarta hålet som bildas genom sammanslagningen, "materialet som slungas ut blir till slut ett slags radioaktivt avfall, "sa han." Du kan se det radioaktiva skenet av materialet under en period av dagar eller veckor, från mer än hundra miljoner ljusår bort. "Forskare kallar detta observerbara radioaktiva sken som en" kilonova ".

Simuleringarna använder olika beräkningar för att hjälpa forskare att visualisera hur materia flyr från dessa fusioner. Genom att modellera hastigheten, bana, mängd och typ av material, och till och med färgen på ljuset som det avger, astrofysiker kan lära sig att spåra faktiska händelser.

Neutronstjärnornas konstiga värld

Storleksintervallet för neutronstjärnor bestäms av den yttersta gränsen för hur tät materia kan komprimeras, och neutronstjärnor är bland de mest superdensa föremål vi vet om i universum.

Neutronstjärnor har observerats ha massor upp till minst två gånger vår sol men mäter bara cirka 12 mil i diameter, i genomsnitt, medan vår egen sol har en diameter på cirka 865, 000 mil. I tillräckligt stora massor, kanske ungefär tre gånger solens massa, forskare förväntar sig att neutronstjärnor måste kollapsa för att bilda svarta hål.

En kubikmeter materia från en neutronstjärna beräknas väga upp till 10 miljarder ton. Som namnet antyder, man tror att neutronstjärnor består till stor del av de neutralt laddade subatomära partiklarna som kallas neutroner, och vissa modeller förväntar sig att de ska innehålla långa ämnesdelar - kända som "kärnpasta" - bildade av atomkärnor som binder samman.

Neutronstjärnor förväntas också vara nästan perfekt sfäriska, med en stel och otroligt slät skorpa och ett ultrakraftigt magnetfält. De kan snurra med en hastighet av cirka 43, 000 varv per minut (RPM), eller ungefär fem gånger snabbare än en NASCAR -racermotors varvtal.

Efterdyningarna av neutronstjärnans sammanslagningar

Forskarnas simuleringar visade att den radioaktiva substansen som först slipper det svarta hålets sammanslagningar kan färdas med hastigheter på cirka 20, 000 till 60, 000 miles per sekund, eller upp till ungefär en tredjedel av ljusets hastighet, som den svängs iväg i en lång "tidvatten svans."

"Detta skulle vara konstigt material som är laddat med neutroner, "Kasen sa." När det expanderande materialet kyls och dekomprimeras, partiklarna kan kanske kombinera för att bygga upp till de tyngsta elementen. "Denna senaste forskning visar hur forskare kan hitta dessa ljusa buntar av tunga element.

"Om vi ​​kan följa upp LIGO -detektioner med teleskop och fånga ett radioaktivt sken, vi kan äntligen bevittna födelseplatsen för de tyngsta elementen i universum, "sa han." Det skulle svara på en av de längsta frågorna inom astrofysik. "

Det mesta av en sammanslutning av ett svart hål-neutronstjärna förväntas sugas upp av det svarta hålet inom en millisekund av sammanslagningen, och annan materia som inte kastas bort vid sammanslagningen kommer sannolikt att bilda en extremt tät, tunn, munkformad gloria av materia.

Den tunna, varm disk av materia som är bunden av det svarta hålet förväntas bildas inom cirka 10 millisekunder efter sammanslagningen, och att vara koncentrerad inom cirka 15 till 70 mil därifrån, simuleringarna visade. De första 10 millisekunderna verkar vara viktiga för den långsiktiga utvecklingen av dessa skivor.

Över tidsskalor från tiotals millisekunder till flera sekunder, den heta disken sprider sig ut och lanserar mer materia i rymden. "Ett antal fysiska processer - från magnetfält till partikelinteraktioner och kärnreaktioner - kombineras på komplexa sätt för att driva diskens utveckling, "sa Rodrigo Fernández, en biträdande professor i fysik vid University of Alberta i Kanada som ledde en av studierna.

Simuleringar som utförts på NERSC:s Edison -superdator var avgörande för att förstå hur disken matar ut materia och för att ge ledtrådar för hur man observerar denna fråga, sa Fernández, tidigare postdoktor vid UC Berkeley.

Vad kommer härnäst?

Så småningom, det kan vara möjligt för astronomer som skannar natthimlen att hitta "nålen i en höstack" av radioaktiva kilonovaer från fusioner av neutronstjärnor som hade missats i LIGO -data, Sa Kasen.

"Med förbättrade modeller, vi är bättre på att berätta för observatörerna exakt vilka ljusglimtar som är signalerna de letar efter, "sa han. Kasen arbetar också med att bygga alltmer sofistikerade modeller av neutronstjärnans sammanslagningar och supernovor genom sitt engagemang i DOE Exascale Computing Project.

När känsligheten hos gravitationella vågdetektorer förbättras, Foucart sa, det kan vara möjligt att upptäcka en kontinuerlig signal som produceras av en liten bula på ytan av en neutronstjärna, till exempel, eller signaler från teoretiserade endimensionella objekt som kallas kosmiska strängar.

"Detta kan också tillåta oss att observera händelser som vi inte ens har föreställt oss, " han sa.