Wissenschaftler des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung und der Queen’s University Belfast haben eine fortgeschrittene 3D-Computersimulation entwickelt, die das Licht genau reproduziert, das nach der Verschmelzung von zwei Neutronensternen, einer sogenannten Kilonova, ausgestrahlt wird. Diese Simulation bietet eine beispiellose Übereinstimmung mit Beobachtungen der Kilonova AT2017gfo und deutet auf ein umfassendes Verständnis der Explosion und ihrer Folgen hin. Neutronensternverschmelzungen wurden als Hauptquelle für die Produktion von Elementen identifiziert, wie es neueste Beobachtungen in Kombination mit Gravitationswellen und sichtbarem Licht zeigen.
Die Simulation modelliert die Wechselwirkungen zwischen Elektronen, Ionen und Photonen im von einer Neutronensternverschmelzung ausgestoßenen Material. Sie umfasst die Prozesse der neutroneneinfangenden Nukleosynthese, der Energieeinbringung durch radioaktiven Zerfall und des strahlenden Transports. Dies ist das erste Mal, dass eine 3D-Simulation diese Prozesse selbstkonsistent verfolgt und Millionen von atomaren Übergängen schwerer Elemente genau darstellt.
Das 3D-Modell kann das beobachtete Licht für jede Beobachtungsrichtung vorhersagen. Bei einer fast senkrechten Sicht auf die Umlaufebene der verschmelzenden Neutronensterne sagt die Simulation eine Abfolge von spektralen Verteilungen vorher, die den beobachteten Merkmalen der Kilonova AT2017gfo sehr ähnlich sind. Diese Forschung trägt zum Verständnis des Ursprungs schwerer Elemente wie Platin und Gold bei, die hauptsächlich durch den schnellen Neutroneneinfangprozess bei Neutronensternverschmelzungen entstehen.
Etwa die Hälfte der schwereren Elemente als Eisen wird durch die extremen Temperaturen und Neutronendichten erzeugt, die durch verschmelzende Neutronensterne erzeugt werden. Wenn die Neutronensterne verschmelzen, kommt es zu einer explosiven Ereignis, bei dem Materie mit den notwendigen Bedingungen ausgestoßen wird, um instabile, neutronenreiche schwere Atomkerne durch eine Reihe von Neutroneneinfängen und Beta-Zerfälle zu erzeugen. Diese Kerne zerfallen dann zu Stabilität und setzen Energie frei, die die Kilonova antreibt, eine kurzlebige, helle Lichtemission, die in etwa einer Woche schnell abklingt.
Die 3D-Simulation vereint Wissen aus verschiedenen physikalischen Bereichen, darunter das hochdynamische Verhalten von Materie, Eigenschaften von instabilen schweren Atomkernen und Atom-Licht-Wechselwirkungen schwerer Elemente. Herausforderungen auf diesem Gebiet umfassen die Berücksichtigung der Geschwindigkeit der spektralen Verteilungsänderungen und die Beschreibung von Material, das in späteren Stadien ausgestoßen wird. Fortschritte in diesem Bereich werden die Präzision und das Verständnis spektraler Merkmale verbessern und Einblicke in die Bedingungen ermöglichen, unter denen schwere Elemente synthetisiert werden. Hochwertige atomare und nukleare experimentelle Daten des FAIR-Zentrums werden für die Weiterentwicklung dieser Modelle unverzichtbar sein.
Einführung
Ein Überblick über die erweiterte 3D-Computersimulation, die von Forschern am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und der Queen’s Universität Belfast entwickelt wurde.
Verständnis von Neutronensternverschmelzungen
Erklärung von Neutronensternverschmelzungen und ihrer Bedeutung als wichtige Quelle für die Produktion von Elementen.
Explosion bei der Verschmelzung von Neutronensternen
Beschreibung des explosiven Ereignisses, das bei der Verschmelzung von Neutronensternen auftritt, und der folgenden Ausstoßung von Materie.
Elementproduktion in Neutronensternverschmelzungen
Erklärung, wie Neutronensternverschmelzungen zur Entstehung von schweren Elementen wie Platin und Gold beitragen.
Die erweiterte 3D-Simulation
Eine detaillierte Betrachtung der erweiterten 3D-Computersimulation und ihrer Fähigkeit, das von Neutronensternverschmelzungen ausgestrahlte Licht genau zu reproduzieren.
Simulationsmodell
Erklärung des Modells, das in der Simulation verwendet wird, und wie es die Wechselwirkungen zwischen Elektronen, Ionen und Photonen berücksichtigt.
Modellierte Prozesse
Beschreibung der in der Simulation enthaltenen neutroneneinfangenden Nukleosynthese, der Energieeinbringung durch radioaktiven Zerfall und der Strahlungsübertragungsprozesse.
Spektrale Verteilungen
Diskussion der Fähigkeit der Simulation, das beobachtete Licht für jede Beobachtungsrichtung vorherzusagen und ihrer Ähnlichkeit mit den Merkmalen der Kilonova AT2017gfo.
Bedeutung und zukünftige Herausforderungen
Eine Bewertung der Auswirkungen der erweiterten 3D-Computersimulation und der Herausforderungen, die in diesem Bereich noch bestehen.
Ursprung schwerer Elemente
Erklärung, wie die Simulation dazu beiträgt, den Ursprung der in Neutronensternverschmelzungen produzierten schweren Elemente zu verstehen.
Zukünftiger Fortschritt und Verbesserungen
Diskussion über die Notwendigkeit weiteren Fortschritts in diesem Bereich und die Rolle hochwertiger atomarer und nuklearer experimenteller Daten aus der FAIR-Anlage.
