Co napędza potężny silnik łączących się gwiazd neutronowych?
Nowa symulacja komputerowa ujawnia dynamo generujące wielkoskalowe pola magnetyczne w łączących się gwiazdach neutronowych.
Symulacja strumieni emitowanych z biegunów magnetara.
Źródło: Kota Hayashi (Max Planck Institute for Gravitational Physics)
Łączące się i zderzające gwiazdy neutronowe generują potężne eksplozje kilonowych oraz rozbłyski gamma. Od dawna badacze podejrzewali, że motorem tych wysokoenergetycznych zjawisk jest duże i niezwykle silne pole magnetyczne. Jednak proces generujący to pole magnetyczne stanowił dotąd tajemnicę. Naukowcy z Instytutu Fizyki Grawitacyjnej Maxa Plancka oraz uniwersytetów Kioto i Toho ujawnili mechanizm kryjący się za tym zjawiskiem, przeprowadzając symulację komputerową o bardzo wysokiej rozdzielczości, uwzględniającą wszystkie podstawowe zasady fizyki. Badacze wykazali, że gwiazdy neutronowe o bardzo silnym namagnesowaniu, znane również jako magnetary, są odpowiedzialne za jasne eksplozje kilonowych. Przyszłe obserwacje teleskopowe mogą potwierdzić te przewidywania.
Gwiazdy neutronowe są zwartymi pozostałościami po eksplozjach supernowych i składają się z niezwykle gęstej materii. Ich średnica wynosi około 20 kilometrów, a masa jest nawet dwukrotnie większa od masy naszego Słońca lub prawie 700 000 razy większa od masy Ziemi. 17 sierpnia 2017 roku astronomowie po raz pierwszy zaobserwowali fale grawitacyjne, światło i promieniowanie gamma pochodzące z połączenia dwóch gwiazd neutronowych. Wydarzenie to zapoczątkowało nowy rodzaj astronomii wieloskładnikowej, łączącej obserwacje fal grawitacyjnych i elektromagnetycznych.
Obserwacje fal grawitacyjnych i rozbłysków gamma emitowanych podczas fuzji ujawniły, że połączenia dwóch gwiazd neutronowych są źródłem przynajmniej części krótkotrwałych rozbłysków gamma i ciężkich pierwiastków. Tylko przeprowadzając symulację numeryczną, która uwzględnia wszystkie podstawowe efekty fizyczne w połączeniach podwójnych gwiazd neutronowych, będziemy w stanie w pełni zrozumieć cały proces i leżące u jego podstaw mechanizmy – wyjaśnił Masaru Shibata, dyrektor Computational Relativistic Astrophysics department at the Max Planck Institute for Gravitational Physics w Poczdamie. Właśnie dlatego przeprowadziliśmy symulację fuzji, która uwzględniła wszystkie implikacje teorii względności Einsteina i wszystkich innych podstawowych praw fizyki, z rozdzielczością przestrzenną ponad dziesięciokrotnie wyższą niż jakakolwiek wcześniejsza symulacja w historii.
Jak w Słońcu, tak i w gwieździe neutronowej
Wysokoenergetyczne zjawiska związane z łączeniem się gwiazd neutronowych, takie jak wybuchy kilonowych i rozbłyski gamma, najprawdopodobniej są napędzane przez magnetohydrodynamikę – wzajemne oddziaływanie pól magnetycznych i płynów. Oznacza to, że pozostałości po fuzji podwójnej gwiazdy neutronowej muszą generować silne, wielkoskalowe pole magnetyczne za pomocą mechanizmu dynamo.
Po raz pierwszy udało nam się ustalić mechanizm fizyczny, który generuje wielkoskalowe pole magnetyczne z mniejszych w wyniku łączenia się podwójnych gwiazd neutronowych – powiedział Kenta Kiuchi, lider grupy w dziale Computational Relativistic Astrophysics. Część tego mechanizmu jest taka sama, jak ta, która napędza pole magnetyczne naszego Słońca. W przypadku fuzji gwiazd neutronowych wielkoskalowe pole magnetyczne powstaje z powodu niestabilności i wirów na powierzchni, gdzie dwie gwiazdy neutronowe zderzają się ze sobą.
Istnieją dwie fazy wzmocnienia pola magnetycznego: w pierwszej fazie niestabilność Kelvina-Helmholtza gwałtownie wzmacnia energię pola magnetycznego o współczynnik kilku tysięcy w ciągu kilku milisekund po fuzji. Jednak to wzmocnione pole magnetyczne nadal jest polem o małej skali, wyjaśnił Alexis Raboul-Salze, doktor na wydziale Computational Relativistic Astrophysics. Ale po kilku milisekundach następuje druga faza wzmocnienia pola magnetycznego z powodu innej niestabilności, niestabilności magnetorotacyjnej. Niestabilność ta jeszcze bardziej wzmacnia pole o małej skali i działa jak dynamo na pole o dużej skali – ten sam mechanizm, co na Słońcu.
Powstała w wyniku zderzenia silnie namagnesowana gwiazda neutronowa jest hipotetycznie uważana za magnetar. Około 40 milisekund po fuzji pola magnetyczne napędzają silny wiatr cząstek z prędkościami relatywistycznymi od biegunów magnetara. Wiatr ten tworzy strumień, który jest powiązany z obserwowanymi zjawiskami wysokoenergetycznymi. Grupa badawcza po raz pierwszy wykazała, że hipoteza ta jest możliwa do zrealizowania.
Nasza symulacja sugeruje, że silnik magnetara generuje bardzo jasne eksplozje kilonowej. W niedalekiej przyszłości będziemy mogli przetestować nasze przewidywania za pomocą obserwacji z wykorzystaniem wielu detektorów – podsumował Masaru Shibata.
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Astronomy.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
