中子星碰撞终于得到了完整的计算机模拟

当两颗中子星相撞时，宇宙会发出一系列壮观的信号——引力波、闪光、中微子流以及电磁波谱中的能量爆发。这些罕见的宇宙碰撞是多信使天文学的完美候选对象，这是一种观测宇宙的强大新方法，它结合了来自不同类型探测器的信息，从而获得同一事件的完整图像。

中子星合并后约1.3秒的数值模拟静态图像。蓝色和绿色轮廓线表示中心残余黑洞周围的物质密度。洋红色线表示磁场线，箭头表示磁层外流（喷流）。图片来源：K. Hayashi / 马克斯·普朗克引力物理研究所（阿尔伯特·爱因斯坦研究所）

为了捕捉所有这些信号，科学家需要的不仅仅是传统的望远镜。他们依赖于一个国际仪器网络，其中包括引力波探测器、中微子观测站以及太空和地面望远镜。但要协调所有这些仪器，需要高精度的模型来精确地知道要寻找什么以及何时寻找。

这就是重大突破的到来。

“从第一性原理预测双中子星合并的多信使信号极其困难。现在我们成功了，”位于波茨坦科技园的马克斯·普朗克引力物理研究所（阿尔伯特·爱因斯坦研究所）计算相对论天体物理系的博士后研究员Kota Hayashi说道。“利用日本的富岳超级计算机，我们进行了迄今为止耗时最长、最复杂的双中子星合并模拟。”

Hayashi和他的团队使用了日本的富岳超级计算机（世界上最强大的超级计算机之一）从头到尾模拟了中子星碰撞。此次模拟是迄今为止最长、最详细的模拟，涵盖了1.5秒的实时时间，耗费了1.3亿个CPU小时。在峰值期间，它最多可同时运行8万个处理器。

该模型融合了爱因斯坦广义相对论、中微子发射和强磁场的影响，捕捉到了这些致密、垂死的恒星在螺旋旋转、碰撞并形成黑洞时内部的极端物理现象。

模拟从极少数假设开始——具有强磁场的中子星相互绕转——并基于基本物理原理，使双星自洽地随时间演化。“我们的新模拟追踪了双星的整个演化过程：旋进、合并、合并后阶段，包括喷流的形成。它首次完整地描绘了整个过程，从而为未来观测此类事件提供了宝贵的信息，”Kota Hayashi 解释道。

最初，两颗中子星（模拟质量分别为太阳的1.25倍和1.65倍）相互绕转五圈。在此螺旋阶段，它们会因失去轨道能量而相互坠落，这些能量以引力波的形式发射出去。由于总质量巨大，合并遗迹会迅速坍缩成黑洞。模拟结果预测了引力波信号，这是第一个可观测的多信使信号。

合并后，残留黑洞周围会形成一个物质盘。盘中的磁场因磁力线的缠绕和发电机效应而被放大。与黑洞快速自旋的相互作用进一步增强了磁场，从而产生了沿黑洞自转轴的能量流出。

“我们认为，这种由磁场驱动的沿黑洞轴线的能量流，为伽马射线爆发提供了能量，”计算相对论天体物理学系主任Masaru Shibata说道。“这与我们从之前的观测中了解到的情况相符，并为中子星合并的内部运作提供了进一步的见解。”

该团队进一步利用他们的模拟结果，推导出双中子星合并预期产生的中微子发射。“我们对喷流形成和磁场动力学的了解，对于我们解读和理解中子星合并及其相关事件至关重要，”柴田胜解释道。模拟结果提供了有多少物质被喷射到星际介质中的信息，从而可以预测千新星。千新星是由富含重元素的气体和尘埃组成的发光云。2017年8月17日，两颗中子星首次碰撞，被引力波探测器以及随后的其他各种望远镜探测和监测到，研究人员发现了比铁更重的元素，例如金。尽管理论物理学家怀疑这类千新星会产生这些特别重的元素，但这一理论在2017年首次得到证实。恒星内部只能产生铁和更轻的元素。

编译自/ScitechDaily