新模拟准确显示了什么’发生中子星合并

中子星是大质量恒星的残余,它们在聚变寿命结束时会爆炸成超新星。他们’超级重核,所有的质子和电子都被死星的超重重力压碎成中子。他们’最小和最密集的恒星物体,黑洞除外,可能还有其他神秘的假想物体,例如 夸克星.

当两个中子星合并时,我们可以检测到产生的引力波。但是,这些合并的某些方面却鲜为人知。一个问题涉及这些合并带来的短暂的伽马射线暴。先前的研究表明,这些爆发可能来自中子星合并中重元素的衰变。

一项新研究加强了我们对这些复杂合并的理解,并引入了一种解释伽玛射线的模型。

这项新研究的标题是“短GRB和Kilonovae的电磁引擎.”主要作者是阿姆斯特丹大学的PhilippMösta。它’发表在《天体物理学杂志快报》上。

当两个中子星合并时,会产生一个 千星。天体物理学家认为千变万化的爆炸会发出短的伽马射线爆发。合并还产生了重元素,这些元素会随着衰变而产生强大的电磁能量。

Artist's impression of 中子星s merging, producing gravitational waves 和 resulting in a 千星. Image 信用: By University of Warwick/Mark Garlick, CC BY 4.0, //commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63436916
Artist’s impression of 中子星s merging, producing gravitational waves, 和 resulting in a 千星. Image 信用: By University of Warwick/Mark Garlick, CC BY 4.0, //commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63436916

一些中子星具有非常强大的磁场。那些星星被称为 磁星。磁层周围的磁场可能比地球强大一万亿倍’s。磁星的旋转也比其他中子星慢。它们的强大磁场在大约10,000年后衰减,研究人员认为十分之一的超新星产生了磁星。

中子星合并也可以产生磁星,’这项新研究的重点是什么。

中子星合并是一个相对较新的研究领域。从长远来看,’直到2017年 观察到第一个。由于对这些合并的观察,天体物理学家证实了曾经只是理论上的东西。

在论文的引言中,研究人员概述了一些内容’我们已经知道千新星。“合并过程中和合并后喷出的放射性物质推动了千伏瞬变,并产生了宇宙中最重的元素。合并后残留物的喷射流出会引发短暂的伽马射线暴。”

他们还指出了他们希望解决的两个关键问题:这些合并如何产生足够快的资金流出,以解释在2017年千禧年事件中观察到的蓝色千禧年部分。蓝色成分是指在2017年千新星中检测到的光学余辉,其他观察到的短伽玛射线短时则没有这种余辉。磁星能发射短Gamma-Ray Burst射流吗?

此动画基于2017年千伏新星的一系列光谱,这些光谱是由X-shooter仪器在智利的ESO超大型望远镜上观察到的。自2017年8月17日首次爆炸起,它们的使用期为12天。超新星起初是很蓝的,但后来变红了,然后消失了。
信用:ESO / E。潘等人。斯玛特& ePESSTO/L. Calçada

It’s a star’合成较重元素的工作。即使中子星留下了聚变,但它们仍然具有元素合成的最后一环。当他们合并时,他们会创建像 。这些明星是如何做到的?

研究人员团队创建了比以往更详细的中子星合并模型。它们包括相对论,磁场,中微子效应,气体定律和核物理等变量。他们在两个超级计算机上运行了仿真: Frontera超级计算机 在德克萨斯大学奥斯汀分校和 蓝水超级计算机 在伊利诺伊大学。

他们的模拟揭示了合并中的一些新细节。合并形成了围绕恒星的环,伽马射线以细线的形式在环中上下移动。合并的恒星产生一个强磁场,最终伽马辐射沿着磁力线传播。

那里’也是一个沙漏形的锥体,它可以上下移动。在那个沙漏中,创建了诸如锶和金等较重的元素。但是伽马射线是模拟的更令人惊讶的结果。

研究小组在工作中进行了四种不同的模拟,每个模拟的变量都略有不同。尤其是在其中三个中,磁石形成了沙漏形状。沙漏中产生了锶和金等重元素。伽马射线沿着磁场线从磁层传播,磁场线被扭曲成环形。图片来源:Mösta等人,2020年。
研究小组在工作中进行了四种不同的模拟,每个模拟的变量都略有不同。尤其是在其中三个中,磁石形成了沙漏形状。沙漏中产生了锶和金等重元素。伽马射线沿着磁场线从磁层传播,磁场线被扭曲成环形。图片来源:Mösta等人,2020年。

“对于此类仿真,伽马辐射确实是新的。那个辐射没有出现在旧的模拟中,”第一作者Mösta在 新闻稿. “已经模拟了金等重元素的生产。”

“但是,我们的仿真表明,这些重元素的移动速度比以前预测的要快得多。因此,我们的模拟与2017年在合并中子星中观察到的天文学家更加一致。”

他们的模拟还为短伽玛射线暴(sGRB)提供了一些启示。以前,研究人员认为,伽马射线来自于千新星中合成的重元素的衰变。但是这项研究表明,磁星’强大的磁场可以放大来自磁石的物质射流。这些喷气机达到相对论的速度,释放了sGRB。“…我们的模拟表明,NS合并中形成的磁星是一种很有前途的sGRB引擎。

相对论射流不仅来自中子星合并残余。它们也来自黑洞。此图显示了相对论性射流从超大质量黑洞中流出的物质。图片来源:NASA / Dana Berry,SkyWorks Digital
相对论射流不仅来自中子星合并残余。它们也来自黑洞。此图显示了相对论性射流从超大质量黑洞中流出的物质。图片来源:NASA / Dana Berry,SkyWorks Digital

这项研究以及该团队创建的功能强大的新模拟为某些中子星合并和千新星观测提供了解释。但是研究人员团队不是’还没有完成。作者计划将他们的模拟扩展到包括超新星爆炸以及中子星与黑洞的合并。

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