Geavanceerde driedimensionale computersimulaties weerspiegelen nauwgezet de feitelijke waarnemingen van het licht dat wordt uitgezonden door de samensmelting van neutronensterren, waardoor ons begrip van de oorsprong van zware elementen wordt verdiept. Nieuwe geavanceerde driedimensionale computersimulaties van het licht dat wordt uitgezonden door de samensmelting van twee neutronensterren produceren een reeks spectrale kenmerken die vergelijkbaar zijn met die waargenomen in kilonovae.
Twee neutronensterren die samensmelten. Recente ontwikkelingen op het gebied van driedimensionale computersimulaties zorgen voor een dieper inzicht in het licht dat wordt uitgezonden door samensmeltende neutronensterren. Deze simulaties zijn cruciaal voor het begrijpen van de oorsprong van elementen die zwaarder zijn dan ijzer. Bron: DanaBerrySkyWorksDigital,Inc.
"De ongekende overeenkomst tussen onze simulaties en observaties van kilonova AT2017gfo laat zien dat we een globaal idee hebben van wat er tijdens en na de explosie is gebeurd", zegt GSI/FAIR-wetenschapper Luke J. Shingles, hoofdauteur van het artikel in The Astrophysical Journal Letters. "Recente waarnemingen waarbij zwaartekrachtsgolven en zichtbaar licht worden gecombineerd, suggereren dat het samensmelten van neutronensterren de belangrijkste plaats is voor de productie van dit element."
De werking achter stralingsoverdrachtsimulaties
De interactie tussen elektronen, ionen en fotonen in het materiaal dat wordt uitgestoten wanneer neutronensterren samensmelten, bepaalt het licht dat we door telescopen zien. Zowel deze processen als het uitgezonden licht kunnen worden gemodelleerd met behulp van computersimulaties van stralingsoverdracht. Onderzoekers hebben onlangs voor het eerst een driedimensionale simulatie geproduceerd die op zichzelf consistente de energie kan volgen die wordt afgezet door het samensmelten van neutronensterren, de nucleosynthese van neutronenvangst, radioactief verval en de stralingsoverdracht van tientallen miljoenen atomaire overgangen in zware elementen.
Het epicentrum dient als driedimensionaal model en de waargenomen lichtstralen kunnen in elke kijkrichting worden voorspeld. Wanneer de waarnemingsrichting bijna loodrecht staat op het baanvlak van twee neutronensterren (zoals de kilonova AT2017gfo zoals blijkt uit observationeel bewijsmateriaal), komt de door het model voorspelde spectrale distributievolgorde sterk overeen met de waargenomen AT2017gfo. "Onderzoek op dit gebied zal ons helpen de oorsprong te begrijpen van elementen die zwaarder zijn dan ijzer, zoals platina en goud, die voornamelijk werden geproduceerd door snelle neutronenvangstprocessen bij het samensmelten van neutronensterren", aldus Shingles.
Ongeveer de helft van de elementen zwaarder dan ijzer ontstond in omgevingen met extreme temperaturen en neutronendichtheden, zoals wanneer twee neutronensterren met elkaar versmelten. Wanneer de twee neutronensterren elkaar uiteindelijk naderen en samen condenseren, zorgt de resulterende explosie ervoor dat er materiaal wordt uitgeworpen, dat onder de juiste omstandigheden onstabiele, neutronenrijke zware kernen produceert via een cascade van neutronenvangst en bèta-verval. Deze kernen vervallen tot een stabiele toestand, waarbij energie vrijkomt die de explosieve ‘kilonova’-transiënt aandrijft, een heldere lichtemissie die binnen ongeveer een week snel vervaagt.
De driedimensionale simulaties combineren verschillende gebieden van de natuurkunde, waaronder het gedrag van materie bij hoge dichtheden, de eigenschappen van onstabiele zware kernen en de atoom-lichtinteracties van zware elementen. Er blijven nog meer uitdagingen bestaan, zoals het berekenen van de veranderingssnelheid van de spectrale verdeling en het karakteriseren van uitgestoten materiaal in een laat stadium.
Toekomstige ontwikkelingen op dit gebied zullen de nauwkeurigheid verbeteren waarmee we spectrale kenmerken voorspellen en begrijpen, en zullen ons begrip van de omstandigheden voor de synthese van zware elementen verder verdiepen. Een essentieel onderdeel van deze modellen zijn hoogwaardige atomaire en nucleaire experimentele gegevens, die de FAIR-faciliteit zal leveren.