במהלך התנגשות כוכבי נויטרונים בינארים, ניטרינו חמים יכולים להילכד לזמן קצר בממשק, ולהישאר מחוץ לשיווי משקל עם הליבות הקרות של הכוכבים המתמזגים למשך 2 עד 3 אלפיות השנייה. אינטראקציה זו עוזרת להניע את החלקיקים לעבר שיווי משקל ומציעה תובנות חדשות על הפיזיקה של מיזוגים כאלה. קרדיט: twoday.co.il.com
סימולציות חדשות מראות שניטרינו נוצרו במהלך קטקליזם אלה כוכב ניטרונים התנגשויות יוצאות לזמן קצר משיווי משקל תרמודינמי עם הליבות הקרות של הכוכבים המתמזגים.
סימולציות אחרונות של פיסיקאים בפן סטייט הראו שבמיזוג כוכבי נויטרונים בינארים, ניטרינו חמים יכולים להילכד לזמן קצר ולהישאר מחוץ לשיווי משקל, מה שמספק הבנה חדשה של אירועים קוסמיים אלה. מחקר זה מדגיש את תפקידן של סימולציות בחקר תופעות שלא ניתן לשכפל בניסוי.
מה קורה כשכוכבי ניוטרונים מתנגשים?
כאשר כוכבים קורסים, הם משאירים מאחור שרידים צפופים להפליא אך קטנים וקרים יחסית הנקראים כוכבי נויטרונים. אם שני כוכבים קורסים בסמיכות, כוכבי הנייטרונים הבינאריים שנשארו מסתחררים פנימה ובסופו של דבר מתנגשים, ומחממים את נקודת ההתנגשות לטמפרטורות קיצוניות.
סימולציות חדשות של אירועים אלה מראות ניטרינו חמים – חלקיקים זעירים, חסרי מסה במהותם, אשר לעיתים רחוקות מתקשרים עם חומר אחר – שנוצרו במהלך ההתנגשות יכולים להילכד לזמן קצר בממשקים אלו ולהישאר מחוץ לשיווי משקל עם הליבות הקרות של הכוכבים המתמזגים למשך 2 עד 3 מילישניות. במהלך תקופה זו, ההדמיות מראות שהנייטרינים יכולים לקיים אינטראקציה חלשה עם החומר של הכוכבים, לעזור להניע את החלקיקים בחזרה לכיוון שיווי משקל – ולהעניק תובנה חדשה לפיזיקה של אירועים רבי עוצמה אלה.
הדמיות פורצות דרך של מיזוגים של כוכבי ניוטרונים
מאמר המתאר את הסימולציות, על ידי צוות מחקר בראשות הפיזיקאים של פן סטייט, פורסם לאחרונה בכתב העת מכתבי ביקורות פיזיות.
"לראשונה ב-2017, צפינו כאן על פני כדור הארץ באותות מסוגים שונים, כולל גלי כבידהממיזוג כוכבי נויטרונים בינאריים", אמר פדרו לואיס אספינו, חוקר פוסט-דוקטורט בפן סטייט וה- אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, שהוביל את המחקר. "זה הוביל לעלייה עצומה של עניין באסטרופיזיקה של כוכב נויטרונים בינארי. אין דרך לשחזר את האירועים הללו במעבדה כדי לחקור אותם בניסוי, ולכן החלון הטוב ביותר שיש לנו להבין מה קורה במהלך מיזוג כוכבי נויטרונים בינארי הוא באמצעות סימולציות המבוססות על מתמטיקה הנובעת מתורת היחסות הכללית של איינשטיין".
עיבוד נפח של צפיפות בסימולציה של מיזוג כוכב נויטרונים בינארי. מחקר חדש מראה שניטרינו שנוצרו בממשק החם בין הכוכבים המתמזגים יכולים להילכד לזמן קצר ולהישאר מחוץ לשיווי משקל עם הליבות הקרות של הכוכבים המתמזגים למשך 2 עד 3 אלפיות השנייה. קרדיט: דיוויד ראדיס, פן סטייט
הרכב כוכבי ניוטרונים ודינמיקת התנגשות
כוכבי ניוטרונים מקבלים את שמם מכיוון שחושבים שהם מורכבים כמעט לחלוטין מניוטרונים, החלקיקים הלא טעונים שיחד עם פרוטונים טעונים חיובית ואלקטרונים בעלי מטען שלילי, מרכיבים אטומים. הצפיפות המדהימה שלהם – רק חורים שחורים קטנים וצפופים יותר – נחשבת כמחצה פרוטונים ואלקטרונים יחד, וממזגת אותם לנייטרונים. כוכב נויטרונים טיפוסי הוא ברוחבו של עשרות קילומטרים בלבד, אבל יש לו בערך פי אחד וחצי מהמסה של השמש שלנו, שרוחבה כ-1.4 מיליון קילומטרים. כפית של חומר כוכב נויטרונים עשויה לשקול כמו הר, עשרות או מאות מיליוני טונות.
"כוכבי הנייטרון לפני המיזוג הם למעשה קרים, בעוד שהם עשויים להיות מיליארדי מעלות קלווין, הצפיפות המדהימה שלהם פירושה שהחום הזה תורם מעט מאוד לאנרגיה של המערכת", אמר דייוויד ראדיס, עוזר פרופסור לפיזיקה ולאסטרונומיה ואסטרופיזיקה ב-Eberly College of Science בפן סטייט ומנהיג צוות המחקר. "כשהם מתנגשים, הם יכולים להתחמם באמת, ניתן לחמם את הממשק של הכוכבים המתנגשים לטמפרטורות של טריליוני מעלות קלווין. עם זאת, הם כל כך צפופים עד שפוטונים לא יכולים לברוח כדי לפזר את החום; במקום זאת, אנו חושבים שהם מתקררים על ידי פליטת ניטרינו."
תובנות מהתנהגות ניוטרינו במיזוגים של כוכבים
לדברי החוקרים, ניטרינו נוצרים במהלך ההתנגשות כאשר נויטרונים בכוכבים מתנפצים זה בזה ומתפוצצים לפרוטונים, אלקטרונים וניטרינו. מה קורה ברגעים הראשונים שלאחר התנגשות הייתה שאלה פתוחה באסטרופיזיקה.
כדי לנסות לענות על השאלה הזו, צוות המחקר יצר סימולציות הדורשות כמויות אדירות של כוח מחשוב המדגימות את המיזוג של כוכבי נויטרונים בינארים וכל הפיזיקה הקשורה. ההדמיות הראו לראשונה כי בקצרה ככל שתהיה, אפילו ניטרינו יכולים להילכד על ידי החום והצפיפות של המיזוג. הנייטרינים החמים אינם בשיווי משקל עם הליבות הקרירות עדיין של הכוכבים ויכולים לקיים אינטראקציה עם החומר של הכוכבים.
"האירועים הקיצוניים האלה מותחים את גבולות ההבנה שלנו בפיזיקה ולימודם מאפשר לנו ללמוד דברים חדשים", אמר ראדיס. "התקופה שבה הכוכבים המתמזגים נמצאים מחוץ לשיווי משקל היא רק 2 עד 3 מילישניות, אבל כמו הטמפרטורה, הזמן הוא יחסי כאן, תקופת ההקפה של שני הכוכבים לפני ההתמזגות יכולה להיות קטנה כמו 1 מילישנית. שלב חוסר שיווי המשקל הקצר הזה הוא כאשר הפיזיקה המעניינת ביותר מתרחשת, ברגע שהמערכת חוזרת לשיווי משקל, הפיזיקה מובנת טוב יותר."
החוקרים הסבירו שהאינטראקציות הפיזיקליות המדויקות המתרחשות במהלך המיזוג יכולות להשפיע על סוגי האותות שניתן לצפות בכדור הארץ ממיזוג כוכבים בינארים.
"האופן שבו הנייטרינו מתקשרים עם החומר של הכוכבים ובסופו של דבר נפלטים יכול להשפיע על התנודות של השרידים הממוזגים של שני הכוכבים, אשר בתורם יכולים להשפיע על איך נראים האותות האלקטרומגנטיים וגל הכבידה של המיזוג כשהם מגיעים אלינו לכאן על כדור הארץ," אמר אספינו. "אפשר לעצב גלאי גלי כבידה מהדור הבא כדי לחפש הבדלי אותות מסוג זה. בדרך זו, סימולציות אלו ממלאות תפקיד מכריע ומאפשרות לנו לקבל תובנה לגבי אירועים קיצוניים אלו תוך הסברה לניסויים ותצפיות עתידיות במעין לולאת משוב".
בנוסף לאספינו וראדיס, צוות המחקר כולל את הפוסט-דוקטורנטים פיטר האמונד ורוסלה גמבה בפן סטייט; סבסטיאנו ברנוצי, פרנצ'סקו זאפה ולואיס פליפה לונגו מיקי ב-Friedrich-Schiller-Universität Jena בגרמניה; ואלבינו פרגו באוניברסיטת טרנטו באיטליה.
מימון מהקרן הלאומית למדע בארה"ב; משרד האנרגיה האמריקאי (DOE), משרד המדע, החטיבה לפיזיקה גרעינית; ה- Deutsche Forschungsgemeinschaft; והיוזמות של האיחוד האירופי Horizon 2020 ו-Europe Horizon תמכו במחקר זה. סימולציות בוצעו במחשבי העל Bridges2, Expanse, Frontera ו-Perlmutter. המחקר השתמש במשאבים של המרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה, מתקן משתמש של משרד המדע של DOE הנתמך על ידי משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקאי. המחברים הכירו ב-Gauss Center for Supercomputing eV
למימון פרויקט זה על ידי מתן זמן מחשוב במחשב העל GCS SuperMUC-NG במרכז מחשוב העל של לייבניץ.
