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模拟中子星合并前的最后时刻

 

模拟中密度的双中子星合并

 模拟中密度的双中子星合并。新的研究表明,在合并恒星之间的热界面中产生的中微子可以被短暂地捕获,并与合并恒星的冷核心保持不平衡2到3毫秒。图片来源:大卫拉迪斯/宾夕法尼亚州立大学


  当恒星到达其生命周期的尽头时,它们会在超新星中脱落外层。留下的是一颗中子星星,这是一种恒星残骸,尽管相对较小,温度较低,但密度却令人难以置信。当这种情况发生在双星系统中时,产生的中子星最终将螺旋向内并碰撞。当它们最终合并时,这一过程会引发引力波的释放,并可能导致黑洞的形成。但是,当中子星开始合并时,会发生什么,一直到量子水平,是科学家们渴望了解更多的东西。
  当恒星开始合并时,会产生非常高的温度,产生“热中微子”,这些中微子与合并恒星的冷核保持不平衡。通常,这些微小的无质量粒子只通过弱核力和可能的重力与正常物质相互作用。但根据宾夕法尼亚州立大学(PSU)物理学家领导的新模拟,这些中微子在这段时间内可以与正常物质发生微弱的相互作用。这些发现可能会导致对这些强大事件的新见解。
  宾夕法尼亚州立大学和加州大学伯克利分校的博士后研究员佩德罗·路易斯·埃斯皮诺领导了这项研究。来自PSU、耶拿弗里德里希席勒大学理论物理研究所、特伦特大学和特伦托基础物理与应用研究所(INFN-TIFPA)的天体物理学家也加入了他的行列。一篇描述他们模拟的论文,

艺术家对中子星星合并的构想


  艺术家对中子星星合并的构想。这个过程也产生了重元素。


  最初由爱因斯坦中子星之所以如此命名,是因为它们令人难以置信的密度将质子和电子融合在一起,创造出几乎完全由中子组成的恒星残骸。多年来,天文学家一直在研究GW事件,以了解更多关于双伴星的信息,以及它们合并时会发生什么。宾夕法尼亚州立大学和加州大学伯克利分校的博士后研究员佩德罗·路易斯·埃斯皮诺在宾夕法尼亚州立大学的新闻稿中解释说:
  “2017年,我们第一次在地球上观测到了来自双中子星星合并的各种信号,包括引力波。这引起了人们对双中子星星天体物理学的极大兴趣。没有办法在实验室中重现这些事件来进行实验研究,因此我们了解二元中子星星合并过程中发生的最佳窗口是通过基于爱因斯坦广义相对论的数学模拟。
  虽然中子星实际上是冷的,但它们在合并过程中会变得非常热,特别是在界面(两颗恒星接触的地方)。在这个区域,温度可以达到数万亿开氏度,但恒星的密度阻止光子逃逸以消散热量。宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院天文学和天体物理学助理教授、团队负责人之一大卫·拉迪斯(David Radice)表示,这些热量可能是由中微子消散的,中微子是在碰撞过程中产生的,因为中子被粉碎形成质子、电子和中微子。
  他说:“合并恒星失去平衡的周期只有2到3毫秒,但就像温度一样,时间在这里是相对的,合并前两颗恒星的轨道周期可以短至1毫秒。”“这个短暂的非平衡阶段是最有趣的物理学发生的时候,一旦系统恢复平衡,物理学就能得到更好的理解。
  为了调查这一点,研究小组创建了超级计算机模拟,模拟了双中子星的合并和相关物理。他们的模拟表明,即使是中微子也可以被合并的热量和密度捕获,热中微子与仍然很冷的核心失去平衡,并且可以与恒星的物质相互作用。此外,他们的模拟表明,合并期间存在的物理条件可能会影响产生的GW信号。埃斯皮诺说:
  “中微子如何与恒星的物质相互作用并最终被发射出来,会影响两颗恒星合并后的残余物的振荡,这反过来又会影响合并的电磁和引力波信号到达地球时的样子。下一代引力波探测器可以被设计成寻找这类信号差异。通过这种方式,这些模拟发挥了至关重要的作用,使我们能够深入了解这些极端事件,同时在一种反馈回路中为未来的实验和观察提供信息。
  这对引力波天文学和希望利用GW事件探测中子星内部的科学家来说无疑是个好消息。根据产生的GW信号类型了解合并过程中存在的条件也可以为超新星,伽马射线爆发,快速射电爆发和暗物质的性质提供新的见解。

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