Med hjälp av superdatorberäkningar visar forskare vid Max Planck-institutet för gravitationsfysik i Potsdam och från Japan en konsekvent bild för första gången:De modellerade hela processen för kollisionen mellan ett svart hål och en neutronstjärna. I sina studier har de beräknat processen från de slutliga omloppsbanorna genom sammanslagningen till fasen efter sammanslagningen där, enligt deras beräkningar, högenergiska gammastrålar kan uppstå. Resultaten av deras studier har nu publicerats i tidskriften Physical Review D .

Nästan sju år har gått sedan den första upptäckten av gravitationsvågor. Den 14 september 2015 registrerade LIGO-detektorerna i USA signalen från två sammanslagna svarta hål från rymdens djup. Sedan dess har totalt 90 signaler observerats:från binära system med två svarta hål eller neutronstjärnor, och även från blandade binärer. Om minst en neutronstjärna är inblandad i sammanslagningen finns det en chans att inte bara gravitationsvågsdetektorer kommer att observera händelsen, utan även teleskop i det elektromagnetiska spektrumet.

När två neutronstjärnor slogs samman i händelsen som upptäcktes den 17 augusti 2017 (GW170817), observerade cirka 70 teleskop på jorden och i rymden de elektromagnetiska signalerna. I de två sammanslagningar av neutronstjärnor med svarta hål som hittills observerats (GW200105 och GW200115) upptäcktes inga elektromagnetiska motsvarigheter till gravitationsvågorna. Men när fler sådana händelser mäts med de allt känsligare detektorerna förväntar sig forskarna elektromagnetiska observationer även här. Under och efter sammanslagningen skjuts materia ut från systemet och elektromagnetisk strålning alstras. Detta ger förmodligen också korta gammastrålningsskurar, som observerats av rymdteleskop.

För sin studie valde forskarna två olika modellsystem bestående av ett roterande svart hål och en neutronstjärna. Massorna för det svarta hålet sattes till 5,4 respektive 8,1 solmassor, och neutronstjärnans massa sattes till 1,35 solmassor. Dessa parametrar valdes så att neutronstjärnan kunde förväntas slitas isär av tidvattenkrafter.

"Vi får insikter i en process som varar en till två sekunder - det låter kort, men i själva verket händer mycket under den tiden:från de slutliga banorna och störningen av neutronstjärnan av tidvattenkrafterna, utstötningen av materia, till bildandet av en ansamlingsskiva runt det begynnande svarta hålet och ytterligare utstötning av materia i en jet, säger Masaru Shibata, chef för avdelningen för beräkningsrelativistisk astrofysik vid Max Planck-institutet för gravitationsfysik i Potsdam. "Denna högenergijet är förmodligen också en orsak till korta gammastrålningskurar, vars ursprung fortfarande är mystiskt. Simuleringsresultaten indikerar också att det utstötta materialet borde syntetisera tunga grundämnen som guld och platina."

Vad händer under och efter sammanslagningen?

Simuleringarna visar att neutronstjärnan under fusionsprocessen slits isär av tidvattenkrafter. Cirka 80 % av neutronstjärnans materia faller in i det svarta hålet inom några millisekunder, vilket ökar dess massa med ungefär en solmassa. Under de efterföljande cirka 10 millisekunderna bildar neutronstjärnans materia en enarmad spiralstruktur. En del av materialet i spiralarmen skjuts ut från systemet, medan resten (0,2–0,3 solmassor) bildar en ansamlingsskiva runt det svarta hålet. När ansamlingsskivan faller in i det svarta hålet efter sammanslagningen, orsakar detta en fokuserad jetliknande ström av elektromagnetisk strålning, som i slutändan kan producera en kort gammastrålning.

Sekunderlånga simuleringar

Det tog avdelningens klusterdator "Sakura" cirka 2 månader att lösa Einsteins ekvationer för processen som tar cirka två sekunder. "Sådana generella relativistiska simuleringar är väldigt tidskrävande. Det är därför forskargrupper runt om i världen hittills bara har fokuserat på korta simuleringar", förklarar Dr Kenta Kiuchi, gruppledare på Shibatas avdelning, som utvecklade koden. "Däremot ger en heltäckande simulering, som den vi nu har utfört för första gången, en självständig bild av hela processen för givna binära initiala villkor som definieras en gång i början."

Dessutom, bara med så långa simuleringar kan forskarna utforska genereringsmekanismen för korta gammastrålningsskurar, som vanligtvis varar en till två sekunder.

Shibata och forskarna på hans avdelning arbetar redan med liknande men ännu mer komplexa numeriska simuleringar för att konsekvent modellera kollisionen mellan två neutronstjärnor och fasen efter sammanslagningen. + Utforska vidare

Svarta hål och neutronstjärnor smälter samman osedda i täta stjärnhopar