Modelowanie i symulacje rzucają nowe światło na materię o dużej gęstości w rdzeniach gwiazd neutronowych
Stany te wytwarzają niezwykle silne pola magnetyczne. Występują wśród nich zarówno nadciecze, jak i nadprzewodniki. Gęstość jąder gwiazd neutronowych jest tak duża, że mogą pojawić się tam egzotyczne stany skupienia materii. „Możliwe stany nie zostały jeszcze teoretycznie opisane, a gwiazdy neutronowe dostarczają stabilnych źródeł promieniowania, które możemy obserwować, aby dowiedzieć się więcej o fizyce ekstremalnych gęstości”, mówi Yuri Cavecchi, stypendysta programu Maria Skłodowska-Curie, który kierował finansowanym przez UE projektem Burst3D. Gwiazdy neutronowe w układach podwójnych emitują niezwykle jasne błyski rentgenowskie znane jako rozbłyski typu I. Kiedy materia z gwiazdy towarzyszącej doleci do gwiazdy neutronowej ściągana silną grawitacją, zostaje ściśnięta pod bardzo wysokim ciśnieniem i w następstwie eksploduje, emitując jasne błyski promieniowania rentgenowskiego. „Zmiana intensywności tych błysków w czasie dostarcza informacji o rdzeniu gwiazdy neutronowej ze względu na zjawiska opisane w ogólnej teorii względności”, wyjaśnia Cavecchi. „Jednakże musimy być w stanie modelować przebieg spalania i zmian temperatury powierzchni, aby uzyskać informacje, których szukamy”.
Bezprecedensowe symulacje podczas rozbłysków
Badacze przeprowadzili komputerowe symulacje rozbłysków typu I, które pochodzą z gwiazd neutronowych. Najważniejsze wnioski płynące z symulacji są związane z rolą niestabilności w przedniej części płomienia. „W miarę jak płomień rozprzestrzenia się po powierzchni z przodu powstają silne wiatry, w efekcie czego dochodzi do kontaktu gorących i zimnych płynów”, tłumaczy Cavecchi. „Ta konfiguracja jest wysoce niestabilna i rozbija front na osobne, mniejsze wiry, podobne do huraganów ognia”. Według Cavecchiego prowadzi to do dwóch efektów: „Po pierwsze, te wiry przesuwają się przed frontem płomienia, prowadząc do jego znacznie szybszego rozprzestrzeniania się, co może tłumaczyć szybki przyrost liczby błysków. Po drugie, te same wiry powodują asymetryczny wzór emisji, co może potencjalnie wyjaśniać zaobserwowane cechy charakterystyczne zmian intensywności błysku w czasie, które są kluczowe dla zrozumienia natury materii w jądrach gwiazd neutronowych”. Wiry mogą być bezpośrednim źródłem tych cech charakterystycznych lub mogą wywołać fale w płonącym oceanie, które prowadzą do powstania tych wzorców.
Pogodzenie teorii i obserwacji
Analizy pomogły pogodzić teorię spalania jądrowego z obserwowaną częstotliwością zapłonu rozbłysku typu I oraz połączyć obserwacje z parametrami spalania. „Obserwacje niektórych źródeł zakwestionowały nasze teoretyczne rozumienie spalania jądrowego i zapłonu”, dodaje Cavecchi. „Wbrew temu, co podpowiada intuicja, niektóre z tych źródeł wykazują coraz rzadsze rozbłyski, gdy na ich powierzchni gromadzi się coraz więcej materii”. Obliczenia analityczne obejmowały wpływ różnych warunków na powierzchnię gwiazdy oraz wpływ mieszania nowego materiału z popiołami z poprzednich błysków. „Burst3D dostarczył odpowiedzi na otwarte pytania dotyczące fenomenologii rozbłysków, otwierając drogę do wykorzystania obserwacji rentgenowskich w badaniu zachowania ultragęstej materii w rdzeniach gwiazd neutronowych”, podsumowuje Nils Andersson, koordynator projektu i profesor matematyki stosowanej na Uniwersytecie w Southampton.
Słowa kluczowe
Burst3D, ultragęsta materia, gwiazdy neutronowe, rozbłyski typu I, błyski rentgenowskie, spalanie jądrowe