Symulacje superkomputerowe pomagają lepiej poznawać Wszechświat

Astronomowie wykorzystując symulacje superkomputerowe odkryli, w jaki sposób łączące się gwiazdy neutronowe tworzą czarne dziury i niezwykle masywne dżety.

.Łączące się gwiazdy neutronowe są doskonałym celem dla astronomii wieloaspektowej (dział astronomii oparty na skoordynowanej obserwacji obiektu astronomicznego z użyciem instrumentów co najmniej dwóch różnych klas). Ta metoda badań astrofizycznych zawiera obserwacje różnego typu sygnałów z jednego i tego samego źródła w kosmosie. Kiedy zderzają się dwie gwiazdy neutronowe, emitują one fale grawitacyjne, neutrina i promieniowanie w całym spektrum elektromagnetycznym. Aby je wykryć, naukowcy muszą wykorzystać detektory fal grawitacyjnych i teleskopy neutrin, wraz z klasycznymi teleskopami rejestrującymi światło.

Jak podkreślają badacze, dokładne modele i przewidywania oczekiwanych sygnałów są potrzebne do koordynowania wykorzystani tych obserwatoriów, które mają bardzo różny charakter.

„Przewidywanie sygnałów z połączeń gwiazd neutronowych jest niezwykle trudne. Teraz nam się to udało. Korzystając z superkomputera Fugaku w Japonii, przeprowadziliśmy najdłuższą i najbardziej złożoną jak dotąd symulację podwójnego połączenia gwiazd neutronowych” – mówi Kota Hayashi z Max Planck Society.

Symulacje superkomputerowe obejmowały 1,5 sekundy czasu rzeczywistego, a jej ukończenie zajęło 130 milionów godzin procesora (CPU hours – miara czasu, jaki centralna jednostka obliczeniowa wykorzystywała do przetwarzania danych), przy czym w każdej chwili zajętych było od 20 tysięcy do 80 tysięcy procesorów. Obejmowały one efekty ogólnej teorii względności Einsteina, emisję neutrin i oddziaływanie silnych pól magnetycznych z materią o dużej gęstości wewnątrz łączących się gwiazd neutronowych. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

Naukowcy rozpoczęli symulacje superkomputerowe od bardzo niewielu założeń – gwiazd neutronowych o silnych polach magnetycznych krążących wokół siebie – i konsekwentnie zmieniali układ podwójny w czasie, w oparciu o podstawowe zasady fizyczne.

„Nasze symulacje superkomputerowe podąża za układem podwójnym przez całą jego ewolucję – wzajemne okrążanie się, fuzję i fazę po połączeniu, w tym formowanie się dżetów. Zapewnią one pierwszy kompletny obraz całego procesu, a tym samym cenne informacje dla przyszłych obserwacji takich zdarzeń” – podkreśla Kota Hayashi.

Początkowo dwie gwiazdy neutronowe (symulowane o masach 1,25 i 1,65 razy większych od masy Słońca) okrążały się nawzajem pięciokrotnie. Następnie zbliżały się do siebie, tracąc energię orbitalną, która jest emitowana w postaci fal grawitacyjnych. Ze względu na dużą masę całkowitą, pozostałość po fuzji szybko zapada się w czarną dziurę. Symulacje superkomputerowe przewidziały sygnał fal grawitacyjnych – pierwszy z sygnałów możliwy do wykrycia w badaniu wieloaspektowym.

Jak tłumaczą badacze, po połączeniu, wokół pozostałej czarnej dziury tworzył się dysk materii. W nim pole magnetyczne było wzmacniane, interakcja z szybką rotacją czarnej dziury dodatkowo jeszcze to potęgowała. Powodowało to wypływ energii wzdłuż osi obrotu obiektu w postaci dżetów.

.„To, czego dowiedzieliśmy się o formowaniu się dżetów i dynamice pola magnetycznego, ma kluczowe znaczenie dla naszej interpretacji i zrozumienia fuzji gwiazd neutronowych. Symulacje dostarczyły informacji na temat ilości materii wyrzucanej do ośrodka międzygwiazdowego, a tym samym umożliwia przewidywanie kilonowej. Jest to świecący obłok gazu i pyłu, który jest bogaty w ciężkie pierwiastki” – podsumowuje Masaru Shibata z Max Planck Society.

Oprac. EG