Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters и доступная на arXiv, раскрывает детальный механизм слияния двойных нейтронных звезд. Эти объекты — сверхплотные остатки звезд, почти полностью состоящие из нейтронов, — при сближении испускают гравитационные волны, нейтрино, частицы с очень малой массой, и излучение в широком диапазоне электромагнитных волн. Многоканальная астрономия объединяет данные с гравитационных детекторов, нейтринных телескопов и обычных световых обсерваторий для полного изучения таких событий.
Исследователи из Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) в Потсдаме применили самый мощный японский суперкомпьютер Fugaku для длительного моделирования процесса слияния. Симуляция длится 1,5 секунды реального времени, но требует 130 миллионов часов вычислительных ресурсов и одновременно задействует от 20 до 80 тысяч процессоров. В расчетах учитывались сложные эффекты общей теории относительности Эйнштейна, излучение нейтрино и взаимодействие сильных магнитных полей с плотной материей нейтронных звезд.
Моделирование начинается с вращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд с массами около 1,25 и 1,65 массы Солнца. Они совершают пять витков, постепенно сближаясь и теряя энергию, испуская гравитационные волны. Из-за большой массы оставшаяся после слияния масса быстро коллапсирует в черную дыру. Вокруг нее образуется диск из материи с усиленными магнитными полями, что вызывает сильный энергетический поток вдоль оси вращения. По мнению ученых, именно этот поток питает гамма-всплески — мощные и короткие выбросы излучения, наблюдаемые при слиянии нейтронных звезд.
Кроме того, моделирование позволяет оценить выброс нейтрино и количество материи, выбрасываемой в межзвездное пространство. Это важно для понимания килонов — светящихся облаков газа и пыли, обогащенных тяжелыми элементами. После первого наблюдения слияния нейтронных звезд в 2017 году ученые подтвердили, что именно эти события ответственны за образование элементов тяжелее железа, таких как золото. Ранее считалось, что только внутри звезд могут образовываться более легкие элементы вплоть до железа.
Это моделирование дает не только представление о физике слияния нейтронных звезд, но и ценные данные для планирования будущих наблюдений и интерпретации полученных сигналов в рамках многоканальной астрономии.
Понимание сложных физических процессов требует не только точных наблюдений, но и реалистичных моделей. Как и в случае слияния нейтронных звезд, ускоренное моделирование помогает по-новому взглянуть и на куда более земные задачи — например, на поведение наночастиц в воздухе. Подробнее об этом вы можете прочитать в этой статье.