Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Trong một loạt các mô phỏng, các nhà nghiên cứu xác định rằng một số vụ va chạm sao neutron không chỉ tạo ra sóng hấp dẫn mà còn cả bức xạ điện từ có thể phát hiện được trên Trái đất.
Khi hai ngôi sao neutron va đập vào nhau, kết quả đôi khi là một lỗ đen nuốt chửng tất cả trừ bằng chứng hấp dẫn của vụ va chạm. Tuy nhiên, trong một loạt các mô phỏng, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế bao gồm một nhà khoa học của Penn State đã xác định rằng những hành động này thường yên tĩnh – ít nhất là về mặt bức xạ mà chúng ta có thể phát hiện trên Trái đất – các vụ va chạm đôi khi có thể ồn hơn nhiều.
David Radice, trợ lý giáo sư vật lý và thiên văn học và vật lý thiên văn tại Penn State và một thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết: “Khi hai ngôi sao neutron sụp đổ có mật độ cực kỳ dày đặc kết hợp với nhau tạo thành một lỗ đen, sóng hấp dẫn mạnh xuất hiện sau vụ va chạm. “Giờ đây, chúng tôi có thể thu nhận những sóng này bằng cách sử dụng các máy dò như LIGO ở Hoa Kỳ và Virgo ở Ý. Một lỗ đen thường nuốt chửng bất kỳ bức xạ nào khác có thể phát ra từ sự hợp nhất mà chúng tôi có thể phát hiện trên Trái đất, nhưng thông qua mô phỏng, chúng tôi nhận thấy rằng điều này có thể không phải lúc nào cũng đúng. “
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi khối lượng của hai ngôi sao neutron va chạm đủ khác nhau, đồng hành lớn hơn xé ra càng nhỏ. Điều này gây ra sự hợp nhất chậm hơn cho phép một “tiếng nổ” điện từ thoát ra. Các nhà thiên văn học có thể phát hiện ra tín hiệu điện từ này và các mô phỏng cung cấp các dấu hiệu của các vụ va chạm ồn ào này mà các nhà thiên văn có thể tìm kiếm từ Trái đất.
Nhóm nghiên cứu bao gồm các thành viên của cộng tác quốc tế CoRe (Thuyết tương đối tính toán), mô tả những phát hiện của họ trong một bài báo xuất hiện trực tuyến trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).
Radice cho biết: “Gần đây, LIGO đã công bố phát hiện ra một sự kiện hợp nhất trong đó hai ngôi sao có khối lượng rất khác nhau. Hệ quả chính trong kịch bản này là chúng tôi mong đợi bản đối điện từ rất đặc trưng này với tín hiệu sóng trọng trường.”
Sau khi báo cáo phát hiện đầu tiên về sự hợp nhất sao neutron vào năm 2017 và năm 2019, nhóm LIGO đã báo cáo lần thứ hai, họ đặt tên là GW190425. Kết quả của vụ va chạm năm 2017 đúng như những gì các nhà thiên văn học mong đợi với tổng khối lượng bằng khoảng 2,7 lần khối lượng của mặt trời của chúng ta và mỗi ngôi sao trong số hai sao neutron có khối lượng bằng nhau. Nhưng GW190425 nặng hơn nhiều, với tổng khối lượng khoảng 3,5 lần khối lượng mặt trời và tỷ lệ của ‘hai người’ tham gia không bằng nhau – có thể cao tới 2 trên 1.
Radice cho biết: “Mặc dù sự khác biệt về khối lượng từ 2 đến 1 có vẻ không phải là sự khác biệt lớn, nhưng chỉ một phạm vi nhỏ về khối lượng là có thể xảy ra đối với các sao neutron.”
Sao neutron chỉ có thể tồn tại trong một phạm vi hẹp có khối lượng từ khoảng 1,2 đến 3 lần khối lượng của mặt trời chúng ta. Tàn dư của sao nhẹ hơn không sụp đổ để tạo thành sao neutron và thay vào đó tạo thành sao lùn trắng, trong khi các vật thể nặng hơn sụp đổ trực tiếp để tạo thành lỗ đen. Khi sự khác biệt giữa các ngôi sao hợp nhất trở nên lớn như trong GW190425, các nhà khoa học nghi ngờ rằng sự hợp nhất có thể phức tạp hơn – và bức xạ điện từ lớn hơn. Các nhà thiên văn học đã không phát hiện thấy tín hiệu nào như vậy từ vị trí của GW190425, nhưng phạm vi bao phủ của khu vực đó trên bầu trời bằng kính thiên văn thông thường ngày đó không đủ tốt để loại trừ nó.
Để hiểu hiện tượng va chạm của các sao neutron không bằng nhau và để dự đoán dấu hiệu của những vụ va chạm như vậy mà các nhà thiên văn có thể tìm kiếm, nhóm nghiên cứu đã chạy một loạt mô phỏng bằng cách sử dụng nền tảng Cầu của Trung tâm Siêu máy tính Pittsburgh và nền tảng Sao chổi của Trung tâm Siêu máy tính San Diego – cả hai đều nằm trong Mạng XSEDE của National Science Foundation gồm các trung tâm siêu máy tính và máy tính – và các siêu máy tính khác.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi hai ngôi sao neutron mô phỏng chuyển động theo chiều xoắn ốc về phía nhau, lực hấp dẫn của ngôi sao lớn hơn đã xé toạc đối tác của nó. Điều đó có nghĩa là ngôi sao neutron nhỏ hơn đã không va vào người bạn đồng hành lớn mbrore của nó cùng một lúc. Việc đổ vật chất của ngôi sao nhỏ hơn ban đầu đã biến ngôi sao lớn hơn thành một lỗ đen. Nhưng phần còn lại của nó quá xa để lỗ đen có thể chụp lại ngay lập tức. Thay vào đó, cơn mưa vật chất vào lỗ đen chậm hơn đã tạo ra một tia bức xạ điện từ.
Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng dấu vết mô phỏng mà họ tìm thấy có thể giúp các nhà thiên văn sử dụng kết hợp máy dò sóng hấp dẫn và kính thiên văn thông thường để phát hiện các tín hiệu ghép nối sẽ báo trước sự tan rã của một ngôi sao neutron nhỏ hơn hợp nhất với một ngôi sao lớn hơn.
Các mô phỏng yêu cầu sự kết hợp bất thường giữa tốc độ tính toán, dung lượng bộ nhớ lớn và tính linh hoạt trong việc di chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và máy tính. Nhóm đã sử dụng khoảng 500 lõi máy tính, chạy trong nhiều tuần tại một thời điểm, trên khoảng 20 phiên bản riêng biệt. Nhiều đại lượng vật lý phải được tính toán trong mỗi phép tính đòi hỏi bộ nhớ gấp khoảng 100 lần so với một mô phỏng vật lý thiên văn điển hình.
Radice cho biết thêm: “Có rất nhiều điều không chắc chắn xung quanh các đặc tính của sao neutron. “Để hiểu được chúng, chúng tôi phải mô phỏng nhiều mô hình khả thi để xem mô hình nào tương thích với các quan sát thiên văn. Một mô phỏng đơn lẻ của một mô hình sẽ không cho chúng tôi biết nhiều điều; chúng tôi cần thực hiện một số lượng lớn các mô phỏng tính toán chuyên sâu. Chúng tôi cần sự kết hợp của công suất lớn và khả năng cao mà chỉ những máy móc như Bridges mới có thể cung cấp. Công việc này sẽ không thể thực hiện được nếu không có quyền truy cập vào các nguồn siêu máy tính quốc gia như vậy. “
Nguồn truyện:
Tài liệu do Penn State cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :