Neutronstjernefusioner er kollisioner mellem neutronstjerner, de sammenbrudte kerner af, hvad der engang var massive supergiant -stjerner. Disse fusioner er kendt for at generere gravitationsbølger, energibærende bølger, der forplantes gennem et tyngdefelt, der fremgår af accelerationen eller forstyrrelsen af et massivt legeme.
Kollisioner mellem neutronstjerner har været genstand for mange teoretiske fysikundersøgelser, da en dybere forståelse af disse begivenheder kunne give interessant indsigt i, hvordan stof opfører sig ved ekstreme densiteter. Opførelsen af stof ved ekstremt høje densiteter er i øjeblikket beskrevet af en teoretisk ramme kendt som ligningen af staten (EOS).
Nylig astrofysikforskning har undersøgt muligheden for, at EOS-funktioner, såsom faseovergange eller en Quark-Hadron-crossover, kunne udledes af gravitationsbølgespektret, der blev observeret, efter at neuronstjerner er fusioneret. De fleste af disse teoretiske værker overvejede imidlertid ikke virkningerne af magnetiske felter på dette spektrum.
Forskere fra University of Illinois Urbana-Champaign og University of Valencia udførte for nylig en række simuleringer, der sigter mod bedre at forstå virkningen af magnetiske felter på de oscillerende frekvenser for post-mergerneutronstjerner. Deres papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbreveviser, at magnetiske felter alene også kan resultere i frekvensskift, hvilket fortolkning af neutronstjerne -fusionsobservationer kunne være mere udfordrende end tidligere forventet.
“Næste generations gravitationsbølgeobservatorier, som Cosmic Explorer, vil være i stand til at registrere den faktiske fusion af to neutronstjerner, da de danner et enkelt roterende kompakt objekt og de forskellige frekvenser af oscillationer, der er forbundet med fusionsprocessen,” Antonios Tsokaros, hovedforfatter af papiret, fortalte LektieForum.
“Disse frekvenser koder for mange af egenskaberne ved neutronstjernerne. Derfor vil det at identificere dem korrekt gøre det muligt for os at forstå mange af de endnu ukendte egenskaber ved disse ekstraordinære objekter.”
Neutronstjerner har to hovedkarakteristika, der endnu ikke er fuldt ud forstået og gør dem fascinerende fysiske laboratorier. For det første har de unikke termodynamiske egenskaber, såsom dem, der er beskrevet af EOS, i dens kerne. På grund af disse egenskaber vejer bare en skefuld neutronstjernemateriale så meget som Mount Everest.
Den anden vigtigste karakteristik for neutronstjerner er deres magnetfelt. Under neutronstjernefusioner kan dette magnetfelt nå værdier over en milliard gange højere end det største magnetfelt, der nogensinde er skabt af mennesker.
“Vores arbejde prøver systematisk for at forstå effekten af magnetfeltet på de svingende frekvenser af den efterforvirrede neutronstjerne og informere om forskellige konkurrerende effekter,” sagde Tsokaros. “Tidligere arbejde fra andre efterforskere har været for optimistisk i at forsøge at identificere de termodynamiske egenskaber i det indre af neutronstjernerne ved fuldstændigt at ignorere de virkninger, der kommer fra dets magnetfelt. På den anden side viser vi eksplicit, at denne undladelse kan være vildledende, og at det magnetiske felt skal inkluderes for den korrekte fortolkning af observationer.”
Som en del af deres nylige undersøgelse udførte Tsokaros og hans kolleger generelle relativistiske magnetohydrodynamiske simuleringer for at undersøge virkningerne af magnetiske felter på de svingende frekvenser af post-fergerneutronstjerner. I disse simuleringer brugte de to neutronstjerne EOSS, to forskellige neutronstjernemasser og tre forskellige magnetfelttopologier.
“Magnetfeltet forstærkes til store værdier under fusionen,” forklarede Jamie Bamber, en postdoc, der arbejder med professorer Tsokaros og Shapiro. “Vores simuleringer viste, at det stærke magnetfelt får fusionsremmenanten til at svinge og producere gravitationsbølger ved en højere frekvens. Denne stigning i frekvens kan maske frekvensskift fra en anden oprindelse, såsom en ændring i EOS, hvilket gør fortolkningen af mulige observationer mere kompliceret end tidligere tænkt.”
Professor Milton Ruiz tilføjede, “For at foretage en nøjagtig vurdering af fusionen efter fusionen efter fusionen i binær neutronstjerne, skal man således omfatte virkningerne af magnetfeltet. At ikke gøre dette kan føre til fejlagtige konklusioner om systemets fysiske egenskaber.”
Generelt antyder denne nylige undersøgelse, at virkningerne af magnetiske felter kan komplicere fortolkningen af gravitationsbølgedata, der stammer fra neutronstjernefusioner. I deres fremtidige forskning planlægger Tsokaros og hans kolleger at bekræfte deres nylige resultater ved at udføre yderligere simuleringer i endnu højere opløsninger, der tidligere var beregningsmæssigt uoverkommelige.
“Den samtidige detektion i 2017 af gravitationsbølger af LIGO og en gammastråle brast af NASA-satellitter fra den samme kosmiske kilde markerede første gang, at en binær neutronstjerne-fusion blev identificeret,” sagde professor Stuart L. Shapiro.
“This marked a breakthrough in multi-messenger astronomy and has triggered simulations in relativistic magnetohydrodynamics like the ones we have been performing at the University of Illinois. Yet many of the signature features of these simulations will only be identified by the next generation of gravitational wave detectors, like the Einstein Telescope and Cosmic Explorer, which will detect the high frequencies associated with the merger and Efter fusion af binære neutronstjerner. “