La prima simulazione numerica su larga scala della fusione tra buco nero e stella di neutroni e il conseguente lampo di raggi gamma corrisponde a osservazioni sconcertanti.
L’anno scorso, i ricercatori della Northwestern University hanno riportato nuove prove osservative che i lampi di raggi gamma lunghi (GRB) possono derivare dalla fusione di una stella di neutroni con un altro oggetto compatto (un’altra stella di neutroni o un buco nero), una scoperta che in precedenza si credeva impossibile.
Lampo di raggi gamma 211211A, la cui posizione è cerchiata in rosso. Credito immagine: NASA, ESA, Rastinejad et al.
Ora, un altro team della Northwestern offre una potenziale spiegazione per ciò che ha generato l’esplosione di luce senza precedenti e incredibilmente luminosa, o il cosiddetto lampo di raggi gamma.
Dopo aver sviluppato la prima simulazione numerica che segue l’evoluzione del getto in una fusione tra buco nero e stella di neutroni a grandi distanze, gli astrofisici hanno scoperto che il buco nero post-fusione può lanciare getti di materiale dalla stella di neutroni inghiottita.
Ma gli ingredienti chiave sono la massa del violento vortice di gas (o disco di accrescimento) che circonda il buco nero e l’intensità del campo magnetico del disco.
Quando il campo magnetico è intenso nei dischi massicci, il buco nero lancia un getto di breve durata che è molto più luminoso di qualsiasi cosa mai vista nelle osservazioni.
Tuttavia, quando il disco massiccio ha un campo magnetico più debole, il buco nero lancia un getto con la stessa luminosità e lunga durata del misterioso lampo di raggi gamma (soprannominato GRB211211A) avvistato nel 2021 e segnalato nel 2022.
La nuova scoperta non solo aiuta a spiegare le origini dei lampi di raggi gamma lunghi, ma fornisce anche informazioni sulla natura e la fisica dei buchi neri, dei loro campi magnetici e dei dischi di accrescimento.
IL studio è stato pubblicato oggi (31 agosto) sull’Astrophysical Journal.
“Finora, nessun altro ha sviluppato alcun lavoro numerico o simulazione che segua in modo coerente un getto dalla fusione di oggetti compatti alla formazione del getto e alla sua evoluzione su larga scala”, ha affermato la Northwestern. Ore Gottlieb, che ha co-diretto i lavori. “La motivazione del nostro lavoro è stata quella di farlo per la prima volta. E ciò che abbiamo scoperto coincideva con le osservazioni di GRB211211A”.
“Le fusioni di stelle di neutroni sono un affascinante fenomeno multi-messaggero, che provoca sia onde gravitazionali che elettromagnetiche”, ha affermato la Northwestern. Danat Issache ha co-diretto il lavoro con Gottlieb.
“Tuttavia, simulare questi eventi rappresenta una sfida a causa delle vaste separazioni di scala spaziale e temporale coinvolte, nonché della diversa fisica che opera su queste scale. Per la prima volta siamo riusciti a modellare in modo completo l’intera sequenza del processo di fusione delle stelle di neutroni”.
Durante la ricerca, Gottlieb era CIERA Fellow presso la Northwestern Centro per l’esplorazione e la ricerca interdisciplinare in astrofisica (CIERA); ora è Flatiron Research Fellow presso il Centro di astrofisica computazionale del Flatiron Institute.
Issa è uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Northwestern Weinberg College delle Arti e delle Scienze e membro del CIERA. Issa è consigliato dal coautore dell’articolo Aleksandr Čechovskojprofessore associato di fisica e astronomia a Weinberg e membro del CIERA.
Kilonova curiosa
Quando gli astronomi avvistarono per la prima volta GRB211211A nel dicembre 2021, inizialmente presumevano che l’evento, durato 50 secondi, fosse stato generato dal collasso di una stella massiccia. Ma, mentre esaminavano l’emissione tardiva del lungo lampo di raggi gamma, chiamato afterglow, hanno scoperto prove dell’esistenza di una kilonova, un evento raro che si verifica solo dopo la fusione di una stella di neutroni con un altro oggetto compatto.
La scoperta (pubblicata su Nature nel dicembre 2022) ha ribaltato la convinzione consolidata e accettata da tempo secondo cui solo le supernove potrebbero generare lunghi lampi di raggi gamma.
“GRB 211211A ha riacceso l’interesse per l’origine dei lampi di raggi gamma di lunga durata che non sono associati a stelle massicce, ma probabilmente originati da fusioni binarie compatte”, ha detto Gottlieb.
Dalla pre-fusione al GRB lungo
Per rivelare ulteriormente ciò che accade durante gli eventi di fusione compatta, Gottlieb, Issa e i loro collaboratori hanno cercato di simulare l’intero processo, da prima della fusione fino alla fine dell’evento di scoppio di raggi gamma, quando i getti che producono GRB si spengono. .
Poiché si tratta di un’impresa incredibilmente costosa dal punto di vista computazionale, l’intero scenario non era mai stato modellato prima. Gottlieb e Issa hanno superato questa sfida dividendo lo scenario in due simulazioni.
Innanzitutto, i ricercatori hanno eseguito una simulazione della fase precedente alla fusione. Quindi, hanno preso l’output della prima simulazione e lo hanno inserito nella simulazione post-fusione.
“Poiché lo spazio-tempo utilizzato dalle due simulazioni è diverso, questa rimappatura non è stata così semplice come speravamo, ma Danat l’ha capito”, ha detto Tchekhovskoy.
“Il collegamento a catena delle due simulazioni ci ha permesso di rendere il calcolo molto meno costoso”, ha affermato Gottlieb. “La fisica è molto complicata nella fase pre-fusione perché ci sono due oggetti. Diventa molto più semplice dopo la pre-fusione perché c’è un solo buco nero”.
Nella simulazione, gli oggetti compatti si sono prima fusi per creare un buco nero più massiccio. L’intensa gravità del buco nero ha attirato verso di sé i detriti della stella di neutroni ormai distrutta. Prima che i detriti cadessero nel buco nero, alcuni di essi giravano attorno al buco nero come un disco di accrescimento.
Nella configurazione studiata, il disco emergente era particolarmente massiccio, pari a un decimo della massa del nostro Sole. Quindi, quando la massa cadeva dal disco nel buco nero, alimentava il buco nero per lanciare un getto che accelerava quasi alla velocità della luce.
Le proprietà del disco contano
Una sorpresa è emersa quando i ricercatori hanno regolato la forza del campo magnetico del massiccio disco. Mentre un forte campo magnetico ha prodotto un lampo di raggi gamma breve e incredibilmente luminoso, un campo magnetico debole ha generato un getto che corrispondeva alle osservazioni di lampi di raggi gamma lunghi.
“Più forte è il campo magnetico, più breve è la sua durata”, ha detto Gottlieb.
“I campi magnetici deboli producono getti più deboli che il buco nero appena formato può sostenere per un tempo più lungo. Un ingrediente chiave qui è l’enorme disco che può mantenere, insieme a deboli campi magnetici, un GRB coerente con le osservazioni e paragonabile alla luminosità e alla lunga durata di GRB211211A”.
“Sebbene abbiamo scoperto che questo specifico sistema binario dà origine a un GRB lungo, prevediamo anche che altre fusioni binarie che producono dischi enormi porteranno a un risultato simile. È semplicemente una questione di massa del disco dopo la fusione”.
Naturalmente, “lungo” è relativo in questo scenario. I lampi di raggi gamma sono divisi in due classi. I GRB con durata inferiore a due secondi sono considerati brevi. Se un GRB dura due secondi o più, viene considerato lungo. Anche gli eventi di questo breve periodo sono ancora eccezionalmente difficili da modellare.
“Una parte importante del materiale del disco alla fine viene consumata dal buco nero, e l’intero processo dura solo pochi secondi”, ha detto Issa. “Qui sta la sfida principale: è molto difficile catturare l’evoluzione di queste fusioni, utilizzando simulazioni su supercomputer, nell’arco di diversi secondi”.
Prossimo: i neutrini
Ora che Gottlieb e Issa hanno modellato con successo e in modo completo l’intera sequenza della fusione, sono entusiasti di continuare ad aggiornare e migliorare i loro modelli.
“I miei attuali sforzi sono diretti a migliorare la precisione fisica delle simulazioni”, ha affermato Issa.
“Ciò comporta l’incorporazione del raffreddamento dei neutrini, un componente vitale che ha il potenziale per influenzare in modo significativo la dinamica del processo di fusione. Inoltre, l’inclusione dei neutrini rappresenta un passo fondamentale verso una valutazione più accurata della composizione nucleare del materiale espulso come conseguenza di queste fusioni. Attraverso questo approccio, il mio obiettivo è fornire un quadro più completo e accurato delle fusioni di stelle di neutroni”.
Fonte: Università nordoccidentale
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
