Simulazioni 3D avanzate gettano luce sull’origine degli elementi pesanti
Simulazioni 3D avanzate gettano luce sull’origine degli elementi pesanti
Le simulazioni computerizzate tridimensionali avanzate hanno permesso di riprodurre fedelmente le osservazioni reali della luce emessa dalle fusioni di stelle di neutroni, migliorando la nostra comprensione dell’origine degli elementi pesanti.
• Simulazioni 3D avanzate gettano luce sull’origine degli elementi pesanti
• La simulazione 3D e la sua corrispondenza con le osservazioni reali
• La simulazione e la sua importanza
• Le osservazioni che confermano la simulazione
• La meccanica dietro le simulazioni di trasferimento radiativo
• L’eruzione e le conseguenze della kilonova
La simulazione 3D e la sua corrispondenza con le osservazioni reali
La simulazione e la sua importanza
Una nuova simulazione computerizzata tridimensionale avanzata della luce emessa a seguito della fusione di due stelle di neutroni ha prodotto una sequenza di caratteristiche spettroscopiche simile a una kilonova osservata. “L’accordo senza precedenti tra le nostre simulazioni e l’osservazione della kilonova AT2017gfo indica che comprendiamo in modo generale cosa è accaduto nell’esplosione e nelle conseguenze”, afferma Luke J. Shingles, scienziato presso GSI/FAIR e autore principale della pubblicazione.
Le osservazioni che confermano la simulazione
Recenti osservazioni che combinano sia le onde gravitazionali che la luce visibile hanno indicato le fusioni di stelle di neutroni come il principale sito di produzione di questi elementi. Le interazioni tra elettroni, ioni e fotoni all’interno del materiale espulso da una fusione di stelle di neutroni determinano la luce che possiamo vedere attraverso i telescopi. Questi processi e la luce emessa possono essere modellati con simulazioni computerizzate di trasferimento radiativo.
La meccanica dietro le simulazioni di trasferimento radiativo e l’eruzione e le conseguenze della kilonova
La meccanica dietro le simulazioni di trasferimento radiativo
Recentemente, per la prima volta, i ricercatori hanno prodotto una simulazione tridimensionale che segue in modo autoconsistente la fusione delle stelle di neutroni, la nucleosintesi di cattura di neutroni, l’energia depositata dal decadimento radioattivo e il trasferimento radiativo con decine di milioni di transizioni atomiche di elementi pesanti. Essendo un modello 3D, la luce osservata può essere prevista per qualsiasi direzione di visualizzazione. Quando vista quasi perpendicolarmente al piano orbitale delle due stelle di neutroni, il modello prevede una sequenza di distribuzioni spettrali che sembrano notevolmente simili a quelle osservate per AT2017gfo.
L’eruzione e le conseguenze della kilonova
Circa la metà degli elementi più pesanti del ferro sono prodotti in un ambiente di temperature e densità di neutroni estreme, come si verifica quando due stelle di neutroni si fondono tra loro. Quando alla fine spiraleggiano l’una verso l’altra e si fondono, l’esplosione risultante porta all’espulsione di materia con le condizioni appropriate per produrre nuclei pesanti instabili ricchi di neutroni attraverso una sequenza di catture di neutroni e decadimenti beta. Questi nuclei decadono in stabilità, liberando energia che alimenta un transitorio esplosivo ‘kilonova’, un’emissione luminosa di luce che svanisce rapidamente in circa una settimana.
La simulazione 3D combina diverse aree della fisica, tra cui il comportamento della materia ad alte densità, le proprietà dei nuclei pesanti instabili e le interazioni atomo-luce degli elementi pesanti. Rimangono ulteriori sfide, come la contabilizzazione del tasso con cui cambia la distribuzione spettrale e la descrizione del materiale espulso in tempi successivi. I progressi futuri in questo settore aumenteranno la precisione con cui possiamo prevedere e comprendere le caratteristiche negli spettri e approfondiranno la nostra comprensione delle condizioni in cui sono stati sintetizzati gli elementi pesanti.