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Neue Simulation liefert Einblick in Ablauf einer Kilonova
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung
GmbH
astronews.com
19. Oktober 2023
Eine neue 3D-Computersimulation des Lichts, das nach der
Verschmelzung zweier Neutronensterne ausgesendet wird, hat eine ähnliche Abfolge
von spektroskopischen Merkmalen ergeben wie die beobachtete Kilonova AT2017gfo.
Für die Forscherinnen und Forscher stellt die Simulation somit einen wichtigen
Schritt zum Verständnis dieser Explosionen dar.
Ergebnis der jetzt vorgestellten
Kilonova-3D-Simulation.
Bild: Luke J. Shingles et al. (2023), ApJL, 954, L41 [Großansicht] |
Die einmalige Übereinstimmung zwischen unseren Simulationen und den
Beobachtungen von Kilonova AT2017gfo zeigt, dass wir weitgehend verstehen, was
bei der Explosion und in der Folgezeit passiert ist", freut sich Lukes Shingles,
Wissenschaftler beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und dem
Beschleunigerzentrum FAIR in Darmstadt. Jüngste Beobachtungen, die sowohl
Gravitationswellen als auch sichtbares Licht kombinieren, weisen darauf hin,
dass Neutronensternenverschmelzungen der Hauptort der Elementproduktion sein
könnten.
Die jetzt vorgestellte Studie wurde von Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung und der
Queen's University Belfast durchgeführt. Die Wechselwirkungen zwischen
Elektronen, Ionen und Photonen innerhalb des ausgestoßenen Materials einer
Neutronensternverschmelzung bestimmen das Licht, das wir mithilfe von Teleskopen
beobachten können. Diese Vorgänge und damit das emittierte Licht können mit
Computersimulationen des Strahlungstransfers modelliert werden.
Forschende haben kürzlich zum ersten Mal eine dreidimensionale Simulation
erstellt, die die Verschmelzung von Neutronensternen, die Nukleosynthese durch
Neutroneneinfang, die durch radioaktiven Zerfall deponierte Energie und den
Strahlungstransfer mit Dutzenden von Millionen atomarer Übergänge schwerer
Elemente in sich schlüssig abbildet. Als 3D-Modell kann das beobachtete Licht
für jede Blickrichtung vorhergesagt werden. Bei Betrachtung nahezu senkrecht zur
Bahnebene der beiden Neutronensterne (wie es die Beobachtungen für die Kilonova
AT2017gfo nahelegen), sagt das Modell eine Abfolge von Spektralverteilungen
voraus, die den Beobachtungen für AT2017gfo bemerkenswert ähnlich sehen.
"Die Forschung in diesem Bereich wird uns helfen, den Ursprung von Elementen,
die schwerer als Eisen sind (wie Platin und Gold), zu verstehen, die
hauptsächlich durch den schnellen Neutroneneinfangprozess bei der Verschmelzung
von Neutronensternen entstanden sind", sagt Shingles. Etwa die Hälfte der
Elemente, die schwerer als Eisen sind, entstehen in einer Umgebung mit extremen
Temperaturen und Neutronendichten – z. B. wenn zwei Neutronensterne miteinander
verschmelzen. Die daraus resultierende Explosion führt zum Auswurf von Materie
mit den geeigneten Bedingungen, um durch eine Abfolge von Neutroneneinfang und
Betazerfall instabile, neutronenreiche schwere Kerne zu erzeugen. Diese Kerne
zerfallen bis zur Stabilität und setzen dabei Energie frei, die einen explosiven
Kilonova-Transienten antreibt, eine helle Lichtemission, die nach etwa einer
Woche schnell wieder verblasst.
Die 3D-Simulation kombiniert mehrere Bereiche der Physik, darunter das
Verhalten von Materie bei hoher Dichte, die Eigenschaften instabiler schwerer
Kerne und die Wechselwirkungen zwischen Atom und Licht bei schweren Elementen.
Weitere Herausforderungen bleiben bestehen, wie z. B. die Berücksichtigung der
Geschwindigkeit, mit der sich die Spektralverteilung ändert, und die
Beschreibung von Material, das zu späten Zeiten ausgestoßen wird. Künftige
Fortschritte in diesem Bereich werden die Präzision erhöhen, mit der wir
Merkmale in den Spektren vorhersagen und verstehen können, und sie werden unser
Verständnis der Bedingungen fördern, unter denen schwere Elemente synthetisiert
wurden. Ein grundlegender Bestandteil dieser Modelle sind qualitativ hochwertige
atomare und nukleare experimentelle Daten.
Die Ergebnisse wurden in einem Fachartikel veröffentlicht, der in der
Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters erschienen ist.
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