Суперкомпьютер Fugaku смоделировал слияние нейтронных звезд
Слияние нейтронных звезд — одно из самых экстремальных и загадочных явлений во Вселенной. Оно не только порождает мощные гравитационные волны, но и сопровождается всплесками электромагнитного излучения, выбросами нейтрино и образованием тяжелых элементов, таких как золото и платина. Благодаря развитию многоканальной астрономии — метода, объединяющего данные от гравитационно-волновых детекторов, нейтринных телескопов и электромагнитных обсерваторий, — ученые получили возможность изучать эти катастрофические события с беспрецедентной детализацией.
Однако для правильной интерпретации наблюдаемых сигналов необходимы точные теоретические модели, описывающие всю динамику слияния — от момента сближения звезд до формирования черной дыры и релятивистских джетов. До недавнего времени такие расчеты оставались чрезвычайно сложными из-за необходимости учитывать общую теорию относительности, магнитогидродинамику, физику нейтрино и другие факторы. Прорывное моделирование, выполненное на суперкомпьютере Fugaku, впервые позволило воспроизвести полную картину слияния нейтронных звезд, открывая новые горизонты в астрофизике.
Моделирование и его ключевые аспекты
Группа исследователей под руководством Коты Хаяси и Масару Сибаты из Института гравитационной физики Общества Макса Планка провела самое детальное на сегодняшний день моделирование слияния нейтронных звезд. В работе использовались две звезды с массами 1,25 и 1,65 солнечных, вращающиеся вокруг общего центра масс. Расчеты охватили 1,5 секунды реального времени, что потребовало 130 миллионов процессорных часов и задействовало до 80 000 ядер суперкомпьютера Fugaku.
Модель включает:
- Общую теорию относительности (ОТО), описывающую искривление пространства-времени вблизи компактных объектов.
- Динамику магнитных полей, усиливающихся за счет эффектов динамо и взаимодействия с веществом аккреционного диска.
- Излучение нейтрино, играющее ключевую роль в охлаждении системы и выбросе вещества.
- Формирование релятивистского джета, который, по мнению учёных, ответственен за короткие гамма-всплески.
Этапы слияния и их последствия
- Фаза сближения
Нейтронные звезды теряют энергию, излучая гравитационные волны, что приводит к их постепенному сближению. В течение нескольких оборотов они деформируются приливными силами, а затем сталкиваются. - Момент слияния и коллапс в черную дыру
Из-за высокой общей массы (~2,9 солнечных) образовавшийся объект быстро коллапсирует в черную дыру. Вокруг нее формируется горячий аккреционный диск из выброшенного вещества. - Усиление магнитных полей и образование джета
В диске магнитное поле многократно усиливается за счет километровых вихревых структур и дифференциального вращения. Взаимодействие с черной дырой приводит к формированию узкого релятивистского джета вдоль ее оси вращения — вероятного источника гамма-всплеска. - Выброс вещества и килоновая
Часть материала диска выбрасывается в космос, образуя облако килоновой, богатое тяжелыми элементами. Это согласуется с наблюдениями 2017 года, когда в подобном событии (GW170817) были обнаружены следы золота и платины.
Значение для многоканальной астрономии
Данное моделирование предоставляет первую полную теоретическую основу для интерпретации сигналов от слияний нейтронных звезд:
- Гравитационные волны позволяют определить параметры системы до слияния.
- Нейтрино дают информацию о термодинамике процесса.
- Электромагнитные сигналы (килоновая, гамма-всплеск) помогают изучать выбросы вещества и динамику магнитных полей.
Это открывает новые возможности для предсказания наблюдаемых явлений и координации работы обсерваторий. В будущем подобные расчеты помогут глубже понять механизмы образования тяжелых элементов, природу релятивистских джетов и эволюцию компактных объектов во Вселенной.
Слияние нейтронных звезд — это не только грандиозный космический катаклизм, но и уникальная лаборатория для изучения фундаментальной физики. Новое моделирование, выполненное на суперкомпьютере Fugaku, стало важным шагом в понимании этих событий. Оно не только подтверждает существующие теории, но и предоставляет инструменты для будущих открытий в эпоху многоканальной астрономии.