不平等的中子星合并在模拟中创造了独特的爆炸

当两个中子星猛烈撞击在一起时,有时会形成一个黑洞,吞没碰撞的所有引力证据。但是,在一系列模拟中,包括宾州州立大学科学家在内的国际研究人员小组确定,这些碰撞通常很安静(至少就我们在地球上可以检测到的辐射而言)有时会产生更大的干扰。

宾州州立大学物理学和天文学与天体物理学助理教授,研究小组成员戴维·拉迪斯说:“当两个难以置信的密集坍塌的中子星合并形成一个黑洞时,强烈的引力波从撞击中产生。” “我们现在可以使用美国的LIGO和意大利的处女座等探测器来拾取这些波。黑洞通常会吞噬合并产生的任何其他辐射,这些辐射我们可以在地球上探测到,但是可以通过我们模拟中,我们发现情况并非总是如此。”

研究团队发现,当两个碰撞中子星的质量足够不同时,较大的同伴会撕裂较小的。这会导致合并速度变慢,从而使电磁“爆炸”声逃逸。天文学家应该能够检测到这种电磁信号,并且模拟提供了天文学家可能从地球寻找的这些嘈杂碰撞的信号。

该研究小组由国际合作的CoRe(计算相对论)成员组成,在一份在线发表在《皇家天文学会月刊》上的论文中描述了他们的发现。

Radice说:“最近,LIGO宣布发现了一个合并事件,在合并事件中,两个明星的质量可能大不相同。” “在这种情况下的主要结果是,我们期望引力波信号具有这种非常有特色的电磁对应物。”

在报告2017年首次发现中子星合并后,LIGO团队于2019年报告了第二次,并将其命名为GW190425。2017年碰撞的结果与天文学家的预期相符,其总质量约为我们太阳质量的2.7倍,两个中子星各自的质量大致相等。但是GW190425重得多,它们的总质量约为3.5太阳质量,而两个参与者的比例更不相等-可能高达2比1。

拉迪斯说:“虽然质量上的2比1差异似乎并不大,但中子星的质量范围却很小。”

中子星只能存在于质量约为我们太阳质量的1.2至3倍的狭窄范围内。较轻的恒星残留物不会坍塌而形成中子星,而不会形成白矮星,而较重的天体则直接塌陷而形成黑洞。当合并的恒星之间的差异与GW190425中的差异一样大时,科学家们怀疑合并可能更混乱,并且电磁辐射更大。天文学家没有从GW190425的位置检测到这样的信号,但是那天用传统望远镜覆盖的天空区域还不足以排除它。

为了了解中子星不平等碰撞的现象,并预测天文学家可能会寻找的碰撞征兆,研究团队使用美国匹兹堡超级计算中心的Bridges平台和圣地亚哥超级计算机中心的Comet平台进行了一系列模拟(均在美国国家科学中心进行)科学基金会的超级计算中心和计算机以及其他超级计算机的XSEDE网络。

研究人员发现,当两个模拟中子星星在向对方盘旋,较大的恒星的引力掰开它的合作伙伴。这意味着较小的中子星并没有立即击中其更大质量的伴星。较小恒星物质的最初倾卸使较大恒星变成黑洞。但是它的其余部分距离黑洞太远,无法立即捕获。相反,物质进入黑洞的速度较慢,产生了电磁辐射的闪光。

研究团队希望,他们发现的模拟信号能够通过结合重力波探测器和传统望远镜帮助天文学家检测成对的信号,从而预示着较小的中子星与较大的中子星合并会破裂。

这些模拟需要计算速度,大量内存以及在内存和计算之间移动数据的灵活性的不寻常组合。该团队使用了大约500个计算核心,在大约20个不同的实例上一次运行数周。每次计算中必须考虑的许多物理量所需的内存是典型的天体物理模拟的大约100倍。

Radice说:“ 围绕中子星的特性存在很多不确定性。” “为了理解它们,我们必须模拟许多可能的模型,以查看哪些模型与天文观测值兼容。对一个模型的单个模拟不会告诉我们太多;我们需要执行大量相当计算密集的模拟。我们需要将只有Bridges这样的机器才能提供的高容量和高性能相结合。如果没有这种国家的超级计算资源,这项工作是不可能的。”

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