高度な 3 次元コンピューター シミュレーションは、中性子星の合体によって放出される光の実際の観測を厳密に反映しており、重元素の起源についての理解が深まります。 2 つの中性子星の合体によって放出される光の新しい高度な 3 次元コンピューター シミュレーションは、キロノバで観察されるものと同様の一連のスペクトル特徴を生成します。
2 つの中性子星が合体する。最近の 3 次元コンピューター シミュレーションの進歩により、中性子星の合体によって放出される光についての理解が深まりつつあります。これらのシミュレーションは、鉄より重い元素の起源を理解するために重要です。出典: DanaBerrySkyWorksDigital,Inc.
「私たちのシミュレーションとキロノバAT2017gfoの観測が前例のない一致を示したことは、私たちが爆発中と爆発後に何が起こったのかについて大まかに把握していることを示しています」と、天体物理ジャーナル・レターズに掲載された論文の筆頭著者であるGSI/FAIRの科学者ルーク・J・シングルズ氏は述べた。 「重力波と可視光を組み合わせた最近の観測は、中性子星の合体がこの元素の主な生成場所であることを示唆しています。」
放射伝達シミュレーションの背後にある仕組み
中性子星が合体するときに放出される物質内の電子、イオン、光子の相互作用によって、望遠鏡を通して見える光が決まります。これらのプロセスと放出される光は両方とも、放射伝達のコンピューター シミュレーションを使用してモデル化できます。研究者らは最近、中性子星の合体、中性子捕獲元素合成、放射性崩壊、重元素における数千万の原子遷移の放射移動によって蓄積されるエネルギーを自己一貫性を持って追跡できる三次元シミュレーションを初めて作成した。
震源は 3 次元モデルとして機能し、観測された光線はどの方向から見ても予測できます。観測方向が 2 つの中性子星の軌道面にほぼ垂直である場合 (観測証拠によって示されたキロノバ AT2017gfo など)、モデルによって予測されるスペクトル分布シーケンスは、観測された AT2017gfo と非常によく似ています。 「この分野の研究は、主に中性子星の合体における急速な中性子捕獲プロセスによって生成される、プラチナや金などの鉄より重い元素の起源を理解するのに役立つだろう」とシングルス氏は述べた。
鉄より重い元素の約半分は、2 つの中性子星が合体するときのような、極端な温度と中性子密度の環境で生成されました。 2 つの中性子星が最終的に互いに歳差運動し、互いに凝縮すると、その結果生じる爆発によって物質が放出され、適切な条件下では、中性子捕獲とベータ崩壊のカスケードを通じて不安定な中性子が豊富な重い原子核が生成されます。これらの原子核は安定状態まで崩壊し、爆発的な「キロノバ」過渡状態を引き起こすエネルギーを放出します。これは、約 1 週間かけて急速に消える明るい発光です。
3 次元シミュレーションは、高密度での物質の挙動、不安定な重核の特性、重元素の原子と光の相互作用など、物理学のいくつかの分野を組み合わせています。スペクトル分布の変化率の計算や、後期段階で放出された物質の特性評価など、さらなる課題が残っています。
この分野の今後の進歩により、スペクトル特徴の予測と理解の精度が向上し、重元素の合成条件についての理解がさらに深まるでしょう。これらのモデルの重要な要素は、FAIR 施設が提供する高品質の原子核実験データです。