Kilonovaların üç boyutlu morfolojisinin simüle edilmesi

İki nötron yıldızının birleşmesinden sonra yayılan ışığın gelişmiş yeni üç boyutlu (3 boyutlu) bilgisayar simülasyonu, gözlemlenen bir kilonovaya benzer bir spektroskopik özellikler dizisi üretti.

GSI/FAIR bilim insanı ve yayının baş yazarı Luke Shingles, “Simülasyonlarımız ile kilonova AT2017gfo’nun gözlemi arasındaki benzeri görülmemiş uyum, patlamada ve sonrasında neler olduğunu genel olarak anladığımızı gösteriyor” diyor. Astrofizik Günlük Mektupları.

Hem yerçekimsel dalgaları hem de görünür ışığı birleştiren son gözlemler, bu elementin ana üretiminin nötron yıldızı birleşmeleri olduğuna işaret etti. Araştırma, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ve Queen’s University Belfast’taki bilim insanları tarafından gerçekleştirildi.

Nötron yıldızı birleşmesinden çıkan malzeme içindeki elektronlar, iyonlar ve fotonlar arasındaki etkileşimler, teleskoplarla görebildiğimiz ışığı belirler. Bu süreçler ve yayılan ışık, ışınım aktarımının bilgisayar simülasyonları ile modellenebilir.

Araştırmacılar yakın zamanda ilk kez, nötron-yıldız birleşmesini, nötron yakalama nükleosentezini, radyoaktif bozunmayla biriken enerjiyi ve ağır elementlerin on milyonlarca atomik geçişiyle ışınım transferini tutarlı bir şekilde takip eden bir 3 boyutlu simülasyon ürettiler.

3 boyutlu bir model olduğundan, gözlemlenen ışık herhangi bir izleme yönü için tahmin edilebilir. İki nötron yıldızının yörünge düzlemine neredeyse dik olarak bakıldığında (kilonova AT2017gfo için gözlemsel kanıtların gösterdiği gibi), model, AT2017gfo için gözlemlenenlere oldukça benzeyen bir dizi spektral dağılım öngörüyor.

Shingles, “Bu alandaki araştırmalar, esas olarak nötron yıldızı birleşmelerindeki hızlı nötron yakalama süreci tarafından üretilen demirden daha ağır elementlerin (platin ve altın gibi) kökenlerini anlamamıza yardımcı olacaktır” diyor.

Demirden daha ağır elementlerin yaklaşık yarısı, iki nötron yıldızının birbiriyle birleşmesiyle elde edildiği gibi, aşırı sıcaklıkların ve nötron yoğunluklarının olduğu bir ortamda üretilir. Sonunda birbirlerine doğru spiral çizip birleştiklerinde, ortaya çıkan patlama, bir dizi nötron yakalama ve beta bozunması yoluyla kararsız, nötron açısından zengin ağır çekirdekler üretmek için uygun koşullardaki maddenin fırlatılmasına yol açar. Bu çekirdekler kararlı hale gelinceye kadar bozunarak, yaklaşık bir hafta içinde hızla sönen parlak bir ışık emisyonu olan patlayıcı bir “kilonova” geçişine güç veren enerjiyi serbest bırakır.

3 boyutlu simülasyon, yüksek yoğunluktaki maddenin davranışı, kararsız ağır çekirdeklerin özellikleri ve ağır elementlerin atom-ışık etkileşimleri dahil olmak üzere fiziğin çeşitli alanlarını bir araya getiriyor. Spektral dağılımın değişme hızının hesaplanması ve geç zamanlarda dışarı atılan malzemenin tanımlanması gibi başka zorluklar da devam etmektedir.

Bu alandaki gelecekteki ilerlemeler, spektrumlardaki özellikleri tahmin etme ve anlama konusundaki hassasiyetimizi artıracak ve ağır elementlerin sentezlendiği koşullar hakkındaki anlayışımızı daha da ileriye taşıyacaktır. Bu modellerin temel bileşeni, FAIR tesisi tarafından sağlanacak olan yüksek kaliteli atomik ve nükleer deneysel verilerdir.