在已知宇宙中最强大事件之一的两颗中子星合并中，科学家们正在越来越好地对复杂的物理性质进行建模。中子星直径约为12英里（约20km），但密度极其高，一茶匙的中子星物质，相当于1125座金门大桥或2735座帝国大厦的重量。2017年8月17日，科学家们观察到引力波的特征以及相关爆炸爆发，即所谓的基洛诺娃，这可以用两颗中子星的合并碰撞来最好地解释。2019年4月25日，又一次可能的中子星合并事件，是完全基于引力波的测量。
虽然这些事件可以帮助比较和验证研究人员开发的物理模型，以了解在这些中子星合并中起作用的是什么，但研究人员仍然必须从零开始，才能在这些模型中构建正确的物理模型。在《皇家天文学会月刊》上发表的一项研究中，由西北大学科学家领导的一个研究小组：模拟了合并后物质盘的形成。
一次巨大的抛射物质爆炸，以及围绕剩余物体（要么是更大的中子星，要么是黑洞）启动高能射流的过程。研究小组包括能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)、加州大学伯克利分校、艾伯塔大学和新汉普郡大学的科学家。为了使模型比之前的努力更逼真，研究小组建立了三个独立的模拟，测试围绕合并的强大磁场的不同几何形状。
研究的合著者、阿尔伯塔大学研究员罗德里戈·费尔南德斯说：（下面这张动态图一定要仔细看，多看会时间，你就能看到最精彩的部分）我们从一套物理原理出发，进行以前没有人在这个水平上做过的计算。然后问，是否相当接近观察结果，或者是否遗漏了什么重要的东西？
进行的三维模拟，包括在伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算时间，涉及600多万个小时的CPU(计算机处理单元)时间。这些模拟考虑了广义相对论磁流体动力学(GRMHD)效应，其中包括与磁场和类流体物质相关的属性，以及以接近光速传播的物质和能量属性。研究人员指出，这些模拟在模拟黑洞和中子星的合并过程中也可能被证明是有用的。
为了模拟基洛诺娃爆发，这是一种创造元素的事件，这也是向太空播撒重元素的重要事件。研究小组对其总抛射质量、平均速度和成分进行了估计，有了这三个量，就可以估计光曲线是否会有合适的光度、颜色和演化时间。这些基洛诺娃爆发有两个普遍的组成部分：一个在几天的过程中演变，其特征是它在峰值时发出标志性的蓝频光；
另一个持续数周，有一个相关近红外光的色峰，最新模拟旨在模拟基洛诺娃的这些蓝色和红色成分。这些模拟也有助于解释合并后向外散发的强大能量喷流发射，包括由于强大交变磁场影响而产生的喷流的“条纹”特征。可以观察到这些喷流是伽马射线爆发，就像2017年的事件一样。加州大学伯克利分校(UC Berkeley)物理学和天文学副教授、伯克利实验室核科学部科学家丹尼尔·卡森(Daniel Kasen)说：
磁场提供了一种利用旋转黑洞的能量，并用它发射以接近光速移动气体射流的方法。这种射流可以产生伽马射线爆发，以及延长的射电和X射线发射，所有这些都出现在2017年的事件中。虽然模拟还没有准确地反映观测结果，模拟显示蓝色基洛诺娃的质量低于红色合并产生的超大质量中子星。以及与合并事件相关的丰富中微子，不受影响地穿过大多数类型物质的幽灵粒子，更好模型，才能改进模型。
这个模型确实受益于围绕黑洞旋转的物质盘(吸积盘)模型，以及中微子冷却特性模型，与合并事件相关的中子和质子体积，以及与基洛诺娃相关物质创造过程的模型。模拟窥探了最极端的环境，比如在新生黑洞外晃动的这个漩涡，并观察和了解重元素是如何形成的。模拟表明，2017年8月观察到的中子星合并，很可能没有在紧随其后形成黑洞，而且最强的磁场是甜甜圈状。此外，这些模拟与一些长期存在的流体行为模型基本一致。
博科园｜研究/来自：劳伦斯伯克利国家实验室
参考期刊《皇家天文学会月刊》
DOI: 10.1093/mnras/stz2552
发表于 2020-11-22 14:13
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