Symulacje numeryczne scalających się gwiazd neutronowych

Celem finansowanego ze środków UE projektu EOSDNSM (Equation of state dependence of neutron star mergers) było zbadanie zjawiska scalania gwiazd neutronowych z zastosowaniem symulacji numerycznych. W fizyce równanie stanu to związek matematyczny jednej ważnej zmiennej z inną ważną zmienną stanu (np. ciśnienie lub gęstość), który jest zawsze prawdziwy. Naukowcy postawili przed sobą dwa główne zadania: lepsze poznanie procesu wytwarzania fal grawitacyjnych w trakcie takich zdarzeń oraz zbadanie roli zjawiska scalania w procesie tworzenia się pierwiastków ciężkich w wyniku reakcji jądrowej wychwytu neutronów prędkich.

Zespół przeprowadził szereg symulacji scalania gwiazd neutronowych przy użyciu wielu równań stanu o różnych wartościach temperatury i masy w układzie binarnym. Analizowano widma fali grawitacyjnej oraz ustalono empiryczne zależności dla różnych cech widma.

Zidentyfikowano tryby drgań i cechy dynamiczne pozostałości po scaleniu gwiazd i powiązano je z cechami sygnału fali grawitacyjnej. Aby zbadać możliwości wykrycia fal grawitacyjnych oraz prawdopodobny wskaźnik wykrywalności, przeprowadzono analizy danych fal grawitacyjnych z wykorzystaniem symulowanych sygnałów fal grawitacyjnych.

Zwiększenie ilości symulacji scalania potwierdziło wcześniejsze ustalenia, mówiące o ścisłym związku między częstotliwością drgań dominującej fali grawitacyjnej a promieniem gwiazdy neutronowej. Ustalenie długości promienia gwiazdy neutronowej na podstawie obserwacji fal grawitacyjnych zależy od tego, jak precyzyjnie ta zależność została opisana. Dlatego naukowcy zakładają, że wyniki projektu umożliwią dokładniejszy pomiar promienia gwiazdy neutronowej. Naukowcom udało się również określić maksymalną masę gwiazd neutronowych, co będzie miało wpływ na fizykę materii o dużej gęstości.

Wyniki projektu EOSDNSM wyjaśniają, które mechanizmy są szczególnie silne w danym układzie binarnym i równaniu stanu. Na tej podstawie powstał jednolity schemat klasyfikacji dynamiki układów gwiazdowych po scaleniu oraz emisji fal grawitacyjnych.

Prace zespołu pomogą w wyjaśnieniu reakcji jądrowych zachodzących podczas scalania oraz leżących u ich podstaw teoretycznych modeli jądrowych. Ustalenie jasnego związku między równaniem stanu a właściwościami materiału wyrzucanego jest istotne z punktu widzenia rozwoju modeli chemicznych, jak również interpretacji przyszłych obserwacji odpowiedników elektromagnetycznych.