Verwendung von Gravitationswellen zur Beobachtung thermischer Effekte bei der Verschmelzung binärer Neutronensterne

In einer Studie veröffentlicht In Die astrophysikalischen TagebuchbriefeForscher untersuchten Neutronensternverschmelzungen mit THC_M1, einem Computercode, der Neutronensternverschmelzungen simuliert und die Krümmung der Raumzeiten aufgrund des starken Gravitationsfelds der Sterne sowie von Neutrinoprozessen in dichter Materie berücksichtigt.

Die Forscher testeten die thermischen Auswirkungen der Verschmelzung, indem sie die spezifische Wärmekapazität in der Zustandsgleichung variierten, die die Energiemenge misst, die erforderlich ist, um die Temperatur der Neutronensternmaterie um ein Grad zu erhöhen. Um die Robustheit der Ergebnisse sicherzustellen, führten die Forscher Simulationen mit zwei Auflösungen durch. Sie wiederholten die Läufe mit höherer Auflösung mit einer näherungsweiseren Neutrinobehandlung.

Wenn zwei Neutronensterne einander umkreisen, lösen sie Wellen in der Raumzeit aus, die Gravitationswellen genannt werden. Diese Wellen entziehen der Umlaufbahn Energie, bis die beiden Sterne schließlich kollidieren und zu einem einzigen Objekt verschmelzen. Mithilfe von Supercomputersimulationen untersuchten Wissenschaftler, wie sich das Verhalten verschiedener Modelle für Kernmaterie auf die nach diesen Fusionen freigesetzten Gravitationswellen auswirkt. Sie fanden einen starken Zusammenhang zwischen der Temperatur des Überrestes und der Frequenz dieser Gravitationswellen. Detektoren der nächsten Generation werden in der Lage sein, diese Modelle voneinander zu unterscheiden.

Wissenschaftler nutzen Neutronensterne als Laboratorien für Kernmaterie unter Bedingungen, die auf der Erde nicht zu untersuchen sind. Sie nutzen aktuelle Gravitationswellendetektoren, um die Verschmelzung von Neutronensternen zu beobachten und herauszufinden, wie sich kalte, ultradichte Materie verhält. Allerdings können diese Detektoren das Signal nach der Verschmelzung von Sternen nicht messen. Dieses Signal enthält Informationen über heiße Kernmaterie.

Zukünftige Detektoren werden empfindlicher auf diese Signale reagieren. Da sie auch in der Lage sein werden, verschiedene Modelle voneinander zu unterscheiden, deuten die Ergebnisse dieser Studie darauf hin, dass künftige Detektoren Wissenschaftlern dabei helfen werden, bessere Modelle für heiße Kernmaterie zu erstellen.

Diese Arbeit nutzte die Rechenressourcen des National Energy Research Scientific Computing Center, des Pittsburgh Supercomputing Center und des Institute for Computational and Data Science der Pennsylvania State University.