Una nuova simulazione mostra esattamente cosa sta succedendo quando le stelle di neutroni si fondono

Le stelle di neutroni sono i resti di stelle massicce che esplodono come supernovae alla fine della loro vita di fusione. Sono nuclei super densi in cui tutti i protoni e gli elettroni vengono schiacciati in neutroni dalla gravità opprimente della stella morta. Sono gli oggetti stellari più piccoli e densi, fatta eccezione per i buchi neri e forse altri oggetti arcani e ipotetici come stelle di quark .

Quando due stelle di neutroni si fondono, possiamo rilevare le onde gravitazionali risultanti. Ma alcuni aspetti di queste fusioni sono poco compresi. Una domanda riguarda i lampi di raggi gamma di breve durata da queste fusioni. Precedenti studi hanno dimostrato che queste esplosioni possono provenire dal decadimento di elementi pesanti prodotti in una fusione di stelle di neutroni.

Un nuovo studio rafforza la nostra comprensione di queste complesse fusioni e introduce un modello che spiega i raggi gamma.

La nuova ricerca si intitola “ Un motore Magnetar per GRB corti e Kilonovae .” L'autore principale è Philipp Mösta dell'Università di Amsterdam. È pubblicato su The Astrophysical Journal Letters.

Quando due stelle di neutroni si fondono si crea un kilonova . Gli astrofisici pensano che le esplosioni di kilonova emettano brevi lampi di radiazioni gamma. La fusione produce anche elementi pesanti, che sono fonti di potente energia elettromagnetica mentre decadono.

Rappresentazione artistica di stelle di neutroni che si fondono, producono onde gravitazionali e danno luogo a una kilonova. Credito immagine: Università di Warwick/Mark Garlick, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63436916

Alcune stelle di neutroni hanno campi magnetici estremamente potenti. Quelle stelle si chiamano magnetar . Il campo magnetico attorno a una magnetar può essere un trilione di volte più potente di quello terrestre. Le magnetar ruotano anche più lentamente delle altre stelle di neutroni. I loro potenti campi magnetici decadono dopo circa 10.000 anni e i ricercatori pensano che circa una supernova su dieci si traduca in magnetar.

Le fusioni di stelle di neutroni possono anche creare magnetar, ed è su questo che si concentra questo nuovo studio.

Le fusioni di stelle di neutroni sono un campo di studio relativamente nuovo. Sebbene sia stato a lungo teorizzato, non è stato fino al 2017 che il il primo è stato osservato . Grazie alle osservazioni di queste fusioni, gli astrofisici hanno confermato cose che un tempo erano solo teorizzate.

Nell'introduzione al loro articolo, i ricercatori delineano parte di ciò che è già noto sulle kilonovae. “Il materiale radioattivo espulso durante e dopo la fusione alimenta un transitorio di kilonova e crea gli elementi più pesanti dell'universo. I flussi in uscita dal residuo della fusione possono lanciare un breve lampo di raggi gamma”.

Sottolineano anche due domande chiave che speravano di affrontare: in che modo queste fusioni generano deflussi abbastanza veloci da spiegare la componente della kilonova blu osservata nell'evento della kilonova del 2017. La componente blu si riferisce a un bagliore ottico rilevato nella kilonova del 2017 che è assente da altri lampi di raggi gamma brevi osservati. E le magnetar possono lanciare brevi getti Gamma-Ray Burst?

Questa animazione si basa su una serie di spettri della kilonova del 2017 osservata dallo strumento X-shooter sul Very Large Telescope dell'ESO in Cile. Coprono un periodo di 12 giorni dopo l'esplosione iniziale del 17 agosto 2017. La kilonova è inizialmente molto blu, ma poi si illumina di rosso e svanisce.
Credito:ESO / E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO / L. Strada

È compito di una star sintetizzare elementi più pesanti. E anche se le stelle di neutroni si sono lasciate alle spalle la fusione, hanno ancora un bis finale di sintesi elementare. Quando si uniscono, creano elementi come Stronzio e Oro . Come fanno queste stelle?

Il team di ricercatori ha creato un modello di fusione di stelle di neutroni più dettagliato che mai. Includevano variabili come la teoria della relatività, i campi magnetici, gli effetti dei neutrini, le leggi dei gas e la fisica nucleare. Hanno eseguito le loro simulazioni su due supercomputer: il La frontiera dei supercomputer presso l'Università del Texas, Austin, e il Supercomputer Blue Waters presso l'Università dell'Illinois.

Le loro simulazioni hanno rivelato alcuni nuovi dettagli nelle fusioni. La fusione crea un anello attorno alle stelle e la radiazione gamma viaggia su e giù per quell'anello in sottili fili. Le stelle unite creano un intenso campo magnetico e alla fine la radiazione gamma si allontana lungo le linee di campo.

C'è anche un cono a forma di clessidra che si muove su e giù. All'interno di quella clessidra vengono creati elementi più pesanti come lo stronzio e l'oro. Ma i raggi gamma sono il risultato più sorprendente delle simulazioni.

Il team di ricerca ha eseguito quattro diverse simulazioni nel proprio lavoro, ognuna con variabili leggermente diverse. In tre di essi in particolare, la magnetar ha creato una forma a clessidra. All'interno della clessidra vengono creati elementi pesanti come lo stronzio e l'oro. La radiazione gamma si allontana dalla magnetar lungo le linee del campo magnetico, che sono attorcigliate in una forma toroidale. Credito immagine: Mösta et al., 2020.

“La radiazione gamma è davvero nuova per questo tipo di simulazioni. Quella radiazione non era apparsa nelle vecchie simulazioni', ha detto l'autore principale Mösta in a comunicato stampa . 'La produzione di elementi pesanti, come l'oro, era già stata simulata'.

“Tuttavia, la nostra simulazione mostra che questi elementi pesanti si muovono molto più velocemente di quanto previsto in precedenza. La nostra simulazione è quindi più in linea con quanto osservato dagli astronomi nella fusione delle stelle di neutroni nel 2017”.

Le loro simulazioni hanno anche fatto luce sui brevi lampi di raggi gamma (sGRB). In precedenza, i ricercatori pensavano che i raggi gamma provenissero dal decadimento di elementi pesanti sintetizzati nella kilonova. Ma questo studio mostra che gli intensi campi magnetici della magnetar possono amplificare i getti di materiale provenienti dalla magnetar. Quei getti raggiungono velocità quasi relativistiche, rilasciando sGRB. “…le nostre simulazioni indicano che le magnetar formate nelle fusioni NS sono un motore sGRB promettente.

I getti relativistici provengono non solo dai resti della fusione di stelle di neutroni. Provengono anche dai buchi neri. Questa illustrazione mostra getti relativistici di materiale che fuoriescono da un buco nero supermassiccio. Credito: NASA/Dana Berry, SkyWorks Digital

Questa ricerca e le nuove potenti simulazioni create dal team hanno offerto spiegazioni per alcune fusioni di stelle di neutroni e osservazioni di kilonova. Ma il team di ricercatori non ha ancora finito. Gli autori hanno in programma di espandere la loro simulazione per includere esplosioni di supernovae e la fusione di stelle di neutroni con buchi neri.

Di più:

• Comunicato stampa: Il modello migliorato mostra i raggi gamma e l'oro nella fusione delle stelle di neutroni
• Nuova ricerca: Un motore Magnetar per GRB corti e Kilonovae
• Universo oggi: Gli astronomi vedono lo stronzio nel relitto di Kilonova, prova che le collisioni di stelle di neutroni producono elementi pesanti nell'universo