A szakértők minden eddiginél hosszabb és bonyolultabb szimulációval modellezték egy kettős neutroncsillag ütközését, amelynek eredményeként egy fekete lyuk és egy anyagnyaláb keletkezett. Az eredmény jelentősen javíthatja ezeknek az ütközéseknek a jövőbeli megfigyeléseit, amelyeknél egyelőre az elméleti háttér is jelentősen hiányos.

A neutroncsillagok ütközéséből származó gravitációs hullámok első megfigyelése fordulópontot jelentett a csillagászatban, és egyet jelentett a többcsatornás csillagászat megszületésével. Ez azt jelenti, hogy az univerzumot már nem csak az elektromágneses hullámok (köztük a fény) révén tanulmányozzuk, hanem gravitációs hullámok és neutrínók alapján is.

A neutroncsillagok hatalmas csillagok szupernóva-robbanásának eredményei. Rendkívül sűrű objektumok, amelyek rendkívüli tulajdonságokkal rendelkeznek. Egy teáskanálnyi neutroncsillag-anyag annyit nyom, mint egy hegy. A neutroncsillagok ütközése rendkívül fontos többcsatornás esemény, mert gravitációs hullámok és gamma-sugárzás is kibocsátódik, és számos nehéz kémiai elem jön létre, például arany és platina. Ebben a nukleáris átalakulásban a neutrínók (rendkívül könnyű részecskék, amelyek alig lépnek kölcsönhatásba az anyaggal) is elszöknek az univerzumba.

Ez így leírva sem látszik egyszerűnek, és annak a döntő jelentőségű 1,5 másodperces káosznak a szimulálása, amikor mindez megtörténik, a legfejlettebb fizikai ismereteinket feszegeti. A kutatók Einstein általános relativitáselméletét, a neutrínók kibocsátását és az erős mágneses mezők és a fuzionáló neutroncsillagok belsejében található nagy sűrűségű anyag kölcsönhatását használták alapul a munka során.

Az 1,5 másodperc szimulálásához 130 millió CPU-munkaórára volt szükség, amihez a Fugaku szuperszámítógép 20–80 ezer processzorát használták. Az eredmény az eddigi legrészletesebb szimuláció, amely eddig egy ilyen ütközésről készült. „A neutroncsillag-összeolvadásokból származó többcsatornás jelek előrejelzése az alapelvekből kiindulva rendkívül nehéz. Most azonban sikerült ezt megtennünk” – nyilatkozta Kota Hayashi, a Max Planck Gravitációs Fizikai Intézet Számítógépes Relativisztikus Asztrofizikai Osztályának kutatója.

A csapat két neutroncsillagot szimulált, az egyik tömege 1,25-szerese, a másiké 1,65-szerese volt a Napénak. A kérdéses 1,5 másodperc alatt a neutroncsillagok ötször kerülték meg egymást, és közben gravitációs hullámok kibocsátása nyomán veszítettek orbitális energiájukból. Az ütközés következtében a neutroncsillagok azonnal fekete lyukká omlottak össze, és olyan gravitációs hullámjeleket bocsátottak ki, amelyeket a jelenlegi obszervatóriumokkal érzékelni tudnánk.

De nem csak egy fekete lyuk keletkezik ilyenkor: az ütközésből származó anyagok egy része a fekete lyuk körül egy korongba rendeződik. A neutroncsillagok már eleve intenzív mágneses terét a gyorsan forgó fekete lyuk még tovább erősítette, amely az anyag egy másik részét a forgástengely mentén rendkívül gyors nyalábokká formálta.

„Úgy gondoljuk, hogy ez a mágneses mezők által hajtott, a fekete lyuk tengelye mentén áramló energia táplálja a gamma-sugárzást” – magyarázza Masaru Shibata, a Számítógépes Relativisztikus Asztrofizika Tanszék igazgatója. „Ez összhangban áll a korábbi megfigyelésekkel, és további betekintést kínál a neutroncsillagok egyesülésének belső működésébe.”

A szimuláció megerősíti az ilyen eseményekből várható neutrínókibocsátást, amelyet még nem észleltek, valamint az átfogóbb kilonova-jelenséget, azaz a nehéz elemekben gazdag felhő kialakulását. „Az anyagnyalábok kialakulásáról és a mágneses mezők dinamikájáról szerzett ismereteink döntő fontosságúak a neutroncsillagok egyesülése és a hozzájuk kapcsolódó jelenségek értelmezéséhez és megértéséhez” – mondja Masaru Shibata.