Os cientistas estão se aprimorando na modelagem do complexo emaranhado de propriedades físicas em jogo em um dos eventos mais poderosos do universo conhecido:a fusão de duas estrelas de nêutrons.

As estrelas de nêutrons são as que giram rapidamente, cascas ultradensas de estrelas maiores que explodiram como supernovas. Eles medem cerca de 19 quilômetros de diâmetro, e uma única colher de chá de matéria estelar de nêutrons pesa tanto quanto 1, 125 pontes Golden Gate, ou 2, 735 edifícios Empire State.

Em 17 de agosto, 2017, os cientistas observaram uma assinatura de ondas gravitacionais - ondulações na estrutura do espaço-tempo - e também uma explosão explosiva associada, conhecido como kilonova, que foram melhor explicados pela fusão de duas estrelas de nêutrons. E novamente em 25 de abril, 2019, outro provável evento de fusão de estrelas de nêutrons, baseado unicamente em uma medição de onda gravitacional.

Embora esses eventos possam ajudar a comparar e validar os modelos físicos que os pesquisadores desenvolvem para entender o que está acontecendo nessas fusões, os pesquisadores ainda devem essencialmente começar do zero para construir a física certa nesses modelos.

Em um estudo publicado no Avisos mensais da Royal Astronomical Society Diário, uma equipe liderada por cientistas da Northwestern University simulou a formação de um disco de matéria, uma explosão gigante de matéria ejetada, e o início de jatos energéticos em torno do objeto remanescente - uma estrela de nêutrons maior ou um buraco negro - no rescaldo dessa fusão.

A equipe incluiu pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), UC Berkeley, a Universidade de Alberta, e a Universidade de New Hampshire.

Para tornar o modelo mais realista do que nos esforços anteriores, a equipe construiu três simulações separadas que testaram geometrias diferentes para os poderosos campos magnéticos que cercam a fusão.

"Estamos começando com um conjunto de princípios físicos, realizando um cálculo que ninguém fez neste nível antes, e então perguntando, "Estamos razoavelmente próximos das observações ou estamos perdendo algo importante? '" Disse Rodrigo Fernández, coautor do último estudo e pesquisador da Universidade de Alberta.

As simulações 3-D que eles realizaram, que incluiu o tempo de computação no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab, envolveu mais de 6 milhões de horas de tempo de CPU (unidade de processamento do computador).

As simulações são responsáveis ​​pelos efeitos GRMHD (magnetohidrodinâmica relativística geral), que incluem propriedades associadas a campos magnéticos e matéria semelhante a fluido, bem como as propriedades da matéria e energia viajando quase na velocidade da luz. Os pesquisadores notaram que as simulações também podem ser úteis na modelagem da fusão de um buraco negro com uma estrela de nêutrons.

Para simular as explosões de kilonova - um evento de criação de elementos que os cientistas acreditam ser responsável por semear o espaço com elementos pesados ​​- a equipe produziu estimativas de sua massa total ejetada, sua velocidade média, e sua composição.

"Com essas três quantidades, pode-se estimar se a curva de luz teria a luminosidade certa, cor, e tempo de evolução, "Fernández disse.

Existem dois componentes generalizados dessas explosões de quilonova - um deles evolui ao longo dos dias e é caracterizado pela luz de frequência azul característica que emite em seu pico, e o outro dura semanas e tem um pico de cor associado à luz infravermelha próxima.

As simulações mais recentes são projetadas para modelar esses componentes azul e vermelho de kilonovae.

As simulações também ajudam a explicar o lançamento de poderosos jatos de energia que emanam após a fusão, incluindo um caráter "listrado" dos jatos devido aos efeitos de poderosos, campos magnéticos alternados. Esses jatos podem ser observados como uma explosão de raios gama, como no evento de 2017.

Daniel Kasen, um cientista da Divisão de Ciência Nuclear no Laboratório de Berkeley e um professor associado de física e astronomia na UC Berkeley, disse, "Os campos magnéticos fornecem uma maneira de explorar a energia de um buraco negro em rotação e usá-la para disparar jatos de gás que se movem quase na velocidade da luz. Esses jatos podem produzir rajadas de raios gama, bem como emissão estendida de rádio e raios-X, todos vistos no evento de 2017. "

Fernández reconheceu que as simulações ainda não refletem precisamente as observações - as simulações mostraram uma massa menor para a contribuição da kilonova azul em comparação com a vermelha - e que melhores modelos da estrela de nêutrons hipermassiva resultante da fusão e dos neutrinos abundantes - partículas fantasmagóricas que viajam pela maioria dos tipos de assuntos não afetados - associados ao evento de fusão são necessários para melhorar os modelos.

O modelo se beneficiou de modelos de discos de matéria (discos de acreção) circulando buracos negros, bem como modelos de propriedades de resfriamento de neutrino, o volume de nêutrons e prótons associados ao evento de fusão, e o processo de criação de matéria associado à kilonova.

Kasen observou que os recursos de computação do Berkeley Lab "permitem que examinemos os ambientes mais extremos - como este redemoinho turbulento saindo de um buraco negro recém-nascido - e observemos e aprendamos como os elementos pesados ​​foram feitos".

As simulações sugerem que a fusão estrela de nêutrons observada em agosto de 2017 provavelmente não formou um buraco negro em suas consequências imediatas, e que os campos magnéticos mais fortes eram em forma de rosca. Também, as simulações concordaram amplamente com alguns modelos de longa data para comportamento de fluidos.