Credit: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Introduzione

Gli scienziati stanno migliorando nel modellare il complesso groviglio di proprietà fisiche in gioco in uno degli eventi più potenti dell’universo conosciuto: la fusione di due stelle di neutroni. Un nuovo studio, pubblicato sulla rivista Monthly Monthly of the Royal Astronomical Society, è stato realizzato da un team comprende ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento di Energia (Berkeley Lab), UC Berkeley, dell’Università di Alberta e dell’Università del New Hampshire.

Fusione di stelle di neutroni

Le stelle di neutroni sono gusci ultradense a rotazione rapida di stelle più grandi che sono esplose come supernovae. Misurano circa 20km di diametro e un singolo cucchiaino di materia di questo tipo di stella pesa fino a 1.125 ponti del Golden Gate o 2.735 edifici dell’Empire State.

Il 17 agosto 2017, gli scienziati hanno osservato una firma delle onde gravitazionali – increspature nel tessuto dello spazio-tempo – e anche una esplosione associata che è stata meglio spiegata come fusione di due stelle di neutroni oltre. E ancora il 25 aprile 2019 si è verificato un altro probabile evento di fusione di stelle di neutroni, rilevato esclusivamente su una misurazione dell’onda gravitazionale.

Mentre questi eventi possono aiutare a confrontare e validare i modelli di fisica che i ricercatori sviluppano per capire cosa sta funzionando in queste fusioni, i ricercatori devono comunque essenzialmente ricominciare da capo per costruire la fisica adatta a questi modelli.

In uno studio pubblicato sulla rivista Monthly Monthly of the Royal Astronomical Society, un team guidato da scienziati della Northwestern University ha simulato la formazione di un disco di materia, una gigantesca esplosione di materia e l’avvio di getti energetici attorno all’oggetto rimanente — o una stella di neutroni più grande o un buco nero – all’indomani di questa fusione.

Le nuove simulazioni

Credit: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Per rendere il modello più realistico rispetto ai precedenti sforzi, il team ha creato tre simulazioni separate che hanno testato diverse geometrie per i potenti campi magnetici che circondano la fusione. “Stiamo partendo da una serie di principi fisici, effettuando calcoli che nessuno ha mai fatto a questo livello prima e ci stiamo chiedendo: Siamo ragionevolmente vicini alle osservazioni o ci stiamo perdendo qualcosa di importante? “, Ha detto Rodrigo Fernández, coautore dell’ultimo studio e ricercatore all’Università di Alberta.

Le simulazioni 3D effettuate, che includevano i tempi di calcolo presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) di Berkeley La, hanno coinvolto oltre 6 milioni di ore di tempo di CPU – unità di elaborazione computerizzata).

Le simulazioni spiegano gli effetti GRMHD (general relativistic magnetohydrodynamics), che includono le proprietà associate ai campi magnetici e alla materia fluida, nonché le proprietà della materia e dell’energia che viaggiano quasi alla velocità della luce. I ricercatori hanno notato che le simulazioni potrebbero anche rivelarsi utili nel modellare la fusione di un buco nero con una stella di neutroni.

Per simulare le esplosioni di kilonova – un evento che crea elementi che gli scienziati ritengono sia responsabile della semina dello spazio con elementi pesanti – il team ha prodotto stime della sua massa espulsa totale, della sua velocità media e della sua composizione. “Con queste tre quantità si può stimare se la curva della luce avrebbe la giusta luminosità, colore e tempo di evoluzione“, ha detto Fernández.

Esistono due componenti generalizzate di questi scoppi di kilonova: uno si evolve nel corso dei giorni ed è caratterizzato dalla luce tipica della frequenza blu che emette al suo apice, l’altro dura per settimane e ha un picco di colore associato del vicino infrarosso leggero. Le ultime simulazioni sono progettate per modellare questi componenti blu e rossi di kilonovae.

Le simulazioni aiutano anche a spiegare il lancio di potenti getti di energia che emanano verso l’esterno in seguito alla fusione, incluso i getti “a strisce” causati dagli effetti di potenti campi magnetici alternati. Questi getti possono essere osservati come un’esplosione di raggi gamma, come per l’evento del 2017.

Credit: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Daniel Kasen, uno scienziato della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab e professore associato di fisica e astronomia presso l’UC Berkeley, ha dichiarato: “I campi magnetici forniscono un modo per sfruttare l’energia di un buco nero che gira e usarlo per sparare getti di gas muovendosi quasi alla velocità della luce. Tali getti possono produrre esplosioni di raggi gamma, nonché emissioni radio e di raggi X prolungate, tutte viste nell’evento del 2017 “.

Necessità di ulteriori modelli

Fernández ha riconosciuto che le simulazioni non rispecchiano ancora esattamente le osservazioni (le simulazioni hanno mostrato una massa inferiore per il contributo di kilonova blu rispetto al rosso) e che modelli migliori delle stelle di neutroni ipermassicci risultanti dalla fusione e degli abbondanti neutrini associati all’evento di fusione, sono necessari per migliorare i modelli.

Il modello ha beneficiato dei dischi di accrescimento che circondano i buchi neri , nonché dei modelli delle proprietà di raffreddamento dei neutrini, del volume di neutroni e protoni associati all’evento di fusione e del processo di creazione della materia associato al kilonova.

Kasen ha osservato che le risorse informatiche del Berkeley Lab “ci permettono di scrutare gli ambienti più estremi – come questo turbolento mulinello che scivola fuori da un buco nero appena nato – e guardare e imparare come sono stati fatti gli elementi pesanti“.

Le simulazioni suggeriscono che la fusione di stelle di neutroni osservata nell’agosto 2017 probabilmente non ha formato un buco nero nelle sue conseguenze immediate e che i campi magnetici più forti erano a forma di ciambella. Inoltre, le simulazioni concordano ampiamente con alcuni modelli di vecchia data per il comportamento fluido.

Citazioni e Approfondimenti

  • I M Christie et al. The role of magnetic field geometry in the evolution of neutron star merger accretion discs, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019). DOI: 10.1093/mnras/stz2552
  • Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
  • Researchers participate in study that adds new detail to merger models, by Glenn Roberts Jr., Lawrence Berkeley National Laboratory