İkili nötron yıldızlarının çarpışması sırasında, sıcak nötrinolar kısa süreliğine arayüzde sıkışıp kalabilir ve birleşen yıldızların soğuk çekirdekleriyle 2 ila 3 milisaniye boyunca denge dışında kalabilir. Bu etkileşim, parçacıkları dengeye doğru yönlendirmeye yardımcı oluyor ve bu tür birleşmelerin fiziğine dair yeni bilgiler sunuyor. Kredi bilgileri: SciTechDaily.com
Yeni simülasyonlar, bu kataklizmik olaylar sırasında oluşan nötrinoların nötron yıldızı Çarpışmalar birleşen yıldızların soğuk çekirdekleriyle termodinamik denge dışında kalıyor.
Penn State fizikçileri tarafından yapılan son simülasyonlar, ikili nötron yıldızı birleşmelerinde sıcak nötrinoların kısa süreliğine tuzağa düşürülüp denge dışında kalabileceğini gösterdi ve bu kozmik olaylara dair yeni bir anlayış sağladı. Bu araştırma, deneysel olarak kopyalanamayan olguların incelenmesinde simülasyonların rolünü vurgulamaktadır.
Nötron Yıldızları Çarpıştığında Ne Olur?
Yıldızlar çöktüğünde genellikle arkalarında nötron yıldızları adı verilen inanılmaz derecede yoğun ancak nispeten küçük ve soğuk kalıntılar bırakırlar. Eğer iki yıldız yakın mesafede çökerse, kalan ikili nötron yıldızları sarmal bir şekilde içeri girer ve sonunda çarpışır, çarpışma noktasını aşırı sıcaklıklara kadar ısıtır.
Bu olaylara ilişkin yeni simülasyonlar, çarpışma sırasında oluşan sıcak nötrinoların (diğer maddelerle nadiren etkileşime giren küçük, aslında kütlesiz parçacıklar) bu arayüzlerde kısa süreliğine sıkışıp kalabildiğini ve birleşen yıldızların soğuk çekirdekleriyle 2 ila 2 ila 10 yıl boyunca denge dışında kalabildiğini gösteriyor. 3 milisaniye. Bu süre zarfında simülasyonlar, nötrinoların yıldızların maddesiyle zayıf bir şekilde etkileşime girebildiğini, parçacıkların tekrar dengeye doğru itilmesine yardımcı olduğunu ve bu güçlü olayların fiziğine yeni bir bakış açısı kazandırdığını gösteriyor.
Nötron Yıldızı Birleşmelerinin Çığır Açan Simülasyonları
Penn State fizikçilerinin liderliğindeki bir araştırma ekibinin simülasyonları açıklayan bir makale yakın zamanda dergide yayınlandı. Fiziksel İnceleme Mektupları.
“2017 yılında ilk kez Dünya’da çeşitli türlerde sinyaller gözlemledik, bunlar arasında; yerçekimi dalgalarıPenn State’te doktora sonrası araştırmacı Pedro Luis Espino, “ikili bir nötron yıldızı birleşmesinden” dedi. Kaliforniya Üniversitesi, BerkeleyAraştırmayı yürüten kişi. “Bu, ikili nötron yıldızı astrofiziğine büyük bir ilginin artmasına neden oldu. Bu olayları deneysel olarak incelemek için laboratuvarda yeniden üretmenin bir yolu yok; bu nedenle, ikili bir nötron yıldızı birleşmesi sırasında ne olduğunu anlamak için sahip olduğumuz en iyi pencere, Einstein’ın genel görelilik teorisinden kaynaklanan matematiğe dayalı simülasyonlardır.”
Bir ikili nötron yıldızı birleşmesinin simülasyonunda yoğunluğun hacimsel gösterimi. Yeni araştırma, birleşen yıldızlar arasındaki sıcak arayüzde oluşan nötrinoların kısa süreliğine hapsolabileceğini ve birleşen yıldızların soğuk çekirdekleriyle 2 ila 3 milisaniye boyunca denge dışı kalabileceğini gösteriyor. Kaynak: David Radice, Penn State
Nötron Yıldızı Bileşimi ve Çarpışma Dinamikleri
Nötron yıldızları, isimlerini neredeyse tamamen nötronlardan oluştuğu düşünüldüğü için alırlar. Nötronlar, pozitif yüklü protonlar ve negatif yüklü elektronlarla birlikte atomları oluşturan yüksüz parçacıklardır. İnanılmaz yoğunluklarının (sadece kara delikler daha küçük ve daha yoğundur) protonları ve elektronları sıkıştırarak onları nötronlara dönüştürdüğü düşünülmektedir. Tipik bir nötron yıldızı sadece onlarca kilometre çapındadır ancak Güneşimizin yaklaşık bir buçuk katı kütleye sahiptir ve Güneşimiz yaklaşık 1,4 milyon kilometre çapındadır. Bir çay kaşığı nötron yıldızı malzemesi bir dağ kadar, onlarca veya yüzlerce milyon ton ağırlığında olabilir.
Fizik, astronomi ve astrofizik yardımcı doçenti David Radice, “Birleşmeden önce nötron yıldızları etkili bir şekilde soğuktur, milyarlarca derece Kelvin olabilmelerine rağmen inanılmaz yoğunlukları, bu ısının sistemin enerjisine çok az katkıda bulunduğu anlamına gelir” dedi. Penn State’deki Eberly Bilim Koleji’nde ve araştırma ekibinin lideri. “Çarpıştıkça gerçekten ısınabilirler, çarpışan yıldızların arayüzü trilyonlarca Kelvin dereceye kadar ısınabilir. Ancak o kadar yoğundurlar ki fotonlar ısıyı dağıtmak için kaçamazlar; bunun yerine nötrino yayarak soğuduklarını düşünüyoruz.”
Yıldız Birleşmelerinde Nötrino Davranışından İçgörüler
Araştırmacılara göre nötrinolar, yıldızlardaki nötronlar birbirine çarpıp protonlara, elektronlara ve nötrinolara parçalandıkça çarpışma sırasında oluşur. Çarpışmadan sonraki ilk anlarda ne olduğu astrofizikte açık bir soru olmuştur.
Bu soruyu cevaplamaya çalışmak için araştırma ekibi, ikili nötron yıldızlarının ve ilgili tüm fiziğin birleşmesini modelleyen, büyük miktarda bilgi işlem gücü gerektiren simülasyonlar yarattı. Simülasyonlar ilk kez, kısa süreliğine de olsa, nötrinoların bile birleşmenin ısısı ve yoğunluğu tarafından tuzağa düşürülebileceğini gösterdi. Sıcak nötrinolar, yıldızların hala soğuk olan çekirdekleriyle dengenin dışındadır ve yıldızların maddesiyle etkileşime girebilir.
Radice, “Bu aşırı olaylar fizik anlayışımızın sınırlarını zorluyor ve bunları incelemek yeni şeyler öğrenmemizi sağlıyor,” dedi. “Birleşen yıldızların denge dışı olduğu süre sadece 2 ila 3 milisaniyedir, ancak sıcaklık gibi, burada zaman da görecelidir, birleşmeden önce iki yıldızın yörünge süresi 1 milisaniye kadar az olabilir. Bu kısa denge dışı evre, en ilginç fiziğin gerçekleştiği zamandır, sistem dengeye döndüğünde, fizik daha iyi anlaşılır.”
Araştırmacılar, birleşme sırasında gerçekleşen kesin fiziksel etkileşimlerin, ikili yıldız birleşmelerinden Dünya’da gözlemlenebilecek sinyal türlerini etkileyebileceğini açıkladı.
“Nötrinoların yıldızların maddesiyle nasıl etkileşime girip sonunda yayıldığı, iki yıldızın birleşmiş kalıntılarının salınımlarını etkileyebilir ve bu da birleşmenin elektromanyetik ve yerçekimi dalgası sinyallerinin bize buraya ulaştığında nasıl görüneceğini etkileyebilir. Dünya’da,” dedi Espino. “Yeni nesil yerçekimi dalgası dedektörleri bu tür sinyal farklılıklarını aramak için tasarlanabilir. Bu şekilde, bu simülasyonlar, bir tür geri bildirim döngüsü içinde gelecekteki deneyler ve gözlemler hakkında bilgi verirken, aynı zamanda bu ekstrem olaylar hakkında fikir sahibi olmamızı sağlayan çok önemli bir rol oynuyor.”
Referans: Pedro Luis Espino, Peter Hammond, David Radice, Sebastiano Bernuzzi, Rossella Gamba, Francesco Zappa, Luís Felipe Longo Micchi ve Albino Perego tarafından yazılan “İkili Nötron Yıldızı Birleşme Kalıntılarında Nötrino Tuzaklama ve Denge Dışı Etkiler”, 20 Mayıs 2024, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.211001
Araştırma ekibinde Espino ve Radice’nin yanı sıra, Penn State’ten doktora sonrası araştırmacılar Peter Hammond ve Rossella Gamba; Almanya’daki Friedrich-Schiller-Universität Jena’dan Sebastiano Bernuzzi, Francesco Zappa ve Luís Felipe Longo Micchi; ve İtalya’daki Trento Üniversitesi’nden Albino Perego yer alıyor.
ABD Ulusal Bilim Vakfı’ndan sağlanan fon; ABD Enerji Bakanlığı (DOE), Bilim Ofisi, Nükleer Fizik Bölümü; Deutsche Forschungsgemeinschaft; Avrupa Birliği Horizon 2020 ve Europe Horizon girişimleri de bu araştırmayı destekledi. Simülasyonlar Bridges2, Expanse, Frontera ve Perlmutter süper bilgisayarlarında gerçekleştirildi. Araştırmada, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi tarafından desteklenen bir DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisi olan Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Bilgi İşlem Merkezi’nin kaynakları kullanıldı. Yazarlar Gauss Süper Hesaplama Merkezi eV’yi kabul etti
Leibniz Süper Hesaplama Merkezi’ndeki GCS Süper Bilgisayarı SuperMUC-NG’de hesaplama zamanı sağlayarak bu projeyi finanse ettiği için.