Исследование под руководством Государственный университет Пенсильвании Физики, опубликовано в журнале Письма о физическом осмотреОбеспечивает новые модели, показывающие, что нейтрино, высвободившиеся во время этих катастрофических событий, временно выходят из термодинамического равновесия с холодными ядрами сливающихся звезд.
Когда звезды коллапсируют, они оставляют после себя очень плотные, но маленькие холодные нейтронные звезды. Если две звезды коллапсируют близко друг к другу, оставшиеся двойные нейтронные звезды в конечном итоге спирализуются и сталкиваются, а граница раздела, где две звезды начинают сливаться, становится чрезвычайно горячей.
Новое моделирование этих событий показывает, что горячие нейтрино — маленькие безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с другим веществом — образующиеся во время столкновения, могут временно задерживаться на этих границах раздела и оставаться вне равновесия с холодными ядрами сливающихся звезд в течение 2–3 миллисекунд. . .
В течение этого периода моделирование показало, что нейтрино могут слабо взаимодействовать со звездной материей, помогая вернуть частицы в равновесие и открывая новое понимание физики этих интенсивных процессов.
Впервые в 2017 году здесь, на Земле, мы наблюдали сигналы разных типов, в том числе гравитационные волны, генерируемые при слиянии двух двойных нейтронных звезд. Это привело к значительному росту интереса к астрофизике двойных нейтронных звезд. Невозможно воспроизвести эти события в лаборатории и изучить их экспериментально, поэтому лучший способ понять, что происходит во время слияния двойных нейтронных звезд, — это моделирование, основанное на математических вычислениях, вытекающих из общей теории относительности Эйнштейна.
Педро Луис Эспино, руководитель исследования и научный сотрудник Университета штата Пенсильвания
Нейтронные звезды названы так потому, что предполагается, что они почти полностью состоят из нейтронов, которые составляют атомы с положительно заряженными протонами и отрицательно заряженными электронами. Считается, что их огромная плотность (только черные дыры меньше и плотнее) сжимает протоны и электроны, превращая их в нейтроны.
Типичная нейтронная звезда имеет диаметр всего несколько десятков километров, но ее масса примерно в полтора раза превышает массу нашего Солнца, поперечник которого составляет около 1,4 миллиона километров. Чайная ложка вещества нейтронной звезды может весить десятки или сотни миллионов тонн, как гора.
Нейтронные звезды до слияния на самом деле были холодными: хотя их температура может достигать миллиардов градусов Кельвина, их невероятная плотность означает, что это тепло вносит очень небольшой вклад в энергию системы. При столкновении они могут стать чрезвычайно горячими, а поверхность раздела сталкивающихся звезд может нагреться до температуры в триллионы градусов Кельвина. Однако он настолько плотный, что фотоны не могут уйти и рассеять тепло; Вместо этого мы думаем, что они охлаждаются, испуская нейтрино.
Дэвид Рэдис, руководитель исследования и доцент кафедры астрономии и астрофизики, Научный колледж Эберли, Университет штата Пенсильвания
По мнению исследователей, нейтрино образуются в результате столкновений нейтронов в звездах, которые распадаются на протоны, электроны и нейтрино. Что происходит сразу после столкновения, долгое время было загадкой для астрофизики.
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали модели, требующие огромных вычислительных мощностей для имитации слияний двойных нейтронных звезд и связанной с ними физики.
Модели впервые показали, что теплота и плотность термоядерного синтеза могут захватывать нейтрино, хотя и временно. Горячие нейтрино находятся в дисбалансе с еще холодными звездными ядрами, что позволяет им взаимодействовать со звездным веществом.
Радиче добавил:Эти экстремальные явления расширяют границы нашего понимания физики, и их изучение позволяет нам узнать новые вещи. Период, в течение которого сливающиеся звезды выходят из равновесия, составляет всего 2–3 миллисекунды, но, как и температура, время здесь относительно. Эта короткая фаза неравновесия возникает, когда происходит наиболее интересная физика, и как только система возвращается в равновесие, физика становится лучше понятной.«
Исследователи подчеркнули, что специфические физические взаимодействия, происходящие во время слияния, могут повлиять на типы сигналов, которые можно обнаружить на Земле из-за слияний двойных звезд.
Эспино далее заявил: «То, как нейтрино взаимодействуют со звездным веществом и в конечном итоге испускаются, может повлиять на колебания остатков слияния двух звезд, что, в свою очередь, может повлиять на то, как будут выглядеть сигналы электромагнитных и гравитационных волн, генерируемые в результате слияния, когда они достигнут нас здесь, на Земле.«
«Следующее поколение детекторов гравитационных волн может быть разработано для поиска таких типов изменений сигнала. Таким образом, эти симуляции играют решающую роль, позволяя нам получить представление об этих экстремальных событиях, одновременно предоставляя информацию для будущих экспериментов и наблюдений в своего рода контуре обратной связи.Эспино добавил.
В состав исследовательской группы входят Эспино и Радиес, а также постдокторанты Питер Хаммонд и Росселла Гамба из штата Пенсильвания, Себастьяно Берноцци, Франческо Заппа и Луис Фелипе Луонго Мичи из Йенского университета имени Фридриха Шиллера в Германии и Альбино Перего из Университета Тренто. . В Италии.
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом США, Министерством энергетики США, Управлением науки, Отделом ядерной физики, Немецким исследовательским фондом, а также инициативами Европейского Союза Horizon 2020 и Horizon Europe.
Моделирование проводилось на суперкомпьютерах Bridges2, Expanse, Frontera и Perlmutter. В исследовании использовался Национальный центр научных вычислений для энергетических исследований, научно-исследовательский центр Министерства энергетики США, поддерживаемый Управлением науки Министерства энергетики США.
Авторы выражают благодарность Центру электронных суперкомпьютеров Гаусса за финансирование этого исследования, предоставив время для вычислений на суперкомпьютере GCS SuperMUC-NG в Суперкомпьютерном центре Лейбница.
Ссылка на журнал:
Эспино, PL, и другие. (2024) Захват нейтрино и неравновесные эффекты в остатках слияния двойных нейтронных звезд. Письма о физическом осмотре. doi:10.1103/PhysRevLett.132.211001