Una simulazione rivela l'emergere di un getto dalla fusione di una stella binaria di neutroni seguita dalla formazione di un buco nero
Istantanea del sistema a 1,3 secondi dalla fusione della stella binaria di neutroni. Sono rappresentati la densità (contorno blu e verde), le linee di campo magnetico che penetrano nel buco nero (linee magenta) e il getto guidato magneticamente (frecce verdi). Il pannello in basso a sinistra mostra una vista ingrandita della regione vicino al buco nero. (Qui il video).
Le fusioni binarie di stelle di neutroni, collisioni cosmiche tra due resti stellari molto densi costituiti prevalentemente da neutroni, sono state oggetto di numerosi studi astrofisici a causa della loro affascinante fisica di base e dei loro possibili esiti cosmologici. La maggior parte degli studi precedenti, volti a simulare e comprendere meglio questi eventi, si sono basati su metodi computazionali progettati per risolvere le equazioni di Einstein della relatività generale in condizioni estreme, come quelle che si verificherebbero durante le fusioni di stelle di neutroni.
I ricercatori dell'Istituto Max Planck per la Fisica Gravitazionale (Istituto Albert Einstein), dell'Istituto Yukawa per la Fisica Teorica, dell'Università di Chiba e dell'Università di Toho hanno recentemente effettuato la più lunga simulazione di fusioni binarie di stelle di neutroni finora realizzata, utilizzando un quadro di riferimento per la modellazione delle interazioni tra campi magnetici, materia ad alta densità e neutrini, noto come quadro di riferimento per la magnetoidrodinamica delle radiazioni di neutrino (MHD).
La loro simulazione, descritta in Physical Review Letters, rivela l'emergere di un getto dominato magneticamente dalla fusione, seguito dal collasso del sistema binario di stelle di neutroni in un buco nero.
“Nel 2019 i rivelatori di onde gravitazionali hanno rilevato un evento originato dalla fusione di una stella binaria di neutroni che è collassata in un buco nero subito dopo la fusione”, ha dichiarato Kota Hayashi, primo autore dell'articolo. “Questo lavoro mira a chiarire le dinamiche di fusione e post-fusione di una fusione che collassa prontamente e a prevedere segnali multi-messaggero (onde gravitazionali, emissioni elettromagnetiche, emissioni di neutrini) da un evento previsto”.
La fusione simulata da Hayashi e dai suoi colleghi è quella tra due stelle di neutroni di massa diversa, una di 1,25 e l'altra di 1,65 masse solari. La loro simulazione è stata basata sulla cosiddetta equazione di stato SFHo, un modello matematico che descrive il comportamento della materia in condizioni estreme (ad esempio, a temperature, densità e pressioni estreme), come quelle all'interno delle stelle di neutroni.
“Abbiamo eseguito una simulazione che include l'evoluzione del campo gravitazionale, della radiazione di neutrini, del campo magnetico e dell'idrodinamica”, ha spiegato Hayashi. “Tutti questi effetti giocano un ruolo cruciale nel sistema. Abbiamo fatto evolvere il sistema fino a un tempo reale record di 1,5 secondi utilizzando il supercomputer giapponese Fugaku”.
I ricercatori hanno osservato che, dopo la fusione, il sistema binario di stelle di neutroni che hanno simulato è collassato rapidamente in un buco nero, circondato da un disco di accrescimento turbolento, una struttura rotante a forma di disco. Essendo guidato da un'instabilità magneto-rotazionale, questo disco contribuisce all'espulsione di massa e produce un cosiddetto flusso di Poynting (cioè un flusso di energia trasportato da campi elettromagnetici). Ciò è culminato nella comparsa di un getto guidato magneticamente con una luminosità equivalente a circa 10 alla 49 erg/s lungo l'asse di spin del buco nero.
“Questo è il primo lavoro a scoprire il lancio del getto guidato magneticamente da una fusione binaria di stelle di neutroni che è collassata in un buco nero subito dopo la fusione”, ha detto Hayashi.
“Dimostra che questo tipo di sistema può provocare un gamma-ray burst, l'evento esplosivo più energetico dell'universo. Abbiamo chiarito che il campo magnetico che guida il getto è generato nel disco di accrescimento post-fusione attraverso un meccanismo chiamato dinamo”.
La simulazione effettuata da Hayashi e dai suoi colleghi getta nuova luce sulla complessa fisica delle fusioni di stelle binarie di neutroni, mostrando che quando queste fusioni sono seguite dalla formazione di buchi neri, potrebbero anche portare alla nascita di un getto dominato dal magnetismo. In futuro, ciò potrebbe contribuire a migliorare le teorie astrofisiche esistenti, potenzialmente collegando i modelli di fusione di stelle di neutroni con quelli che descrivono la produzione di lampi di raggi gamma (cioè esplosioni di breve durata di radiazioni ad alta energia con lunghezze d'onda molto brevi).
“Questo studio si è concentrato principalmente solo sulle dinamiche della fusione, dell'espulsione di massa e del lancio del getto”, ha aggiunto Hayashi. Per interpretare le osservazioni previste sono necessarie ulteriori ricerche dettagliate sulle emissioni elettromagnetiche basate su questa simulazione”.
“Inoltre, l'accelerazione del getto, che supera il 99,9% della velocità della luce, è implicita nell'osservazione dei lampi di raggi gamma e non è stata catturata nella simulazione attuale. Studi futuri per chiarire il processo di accelerazione sono necessari per comprendere appieno il burst di raggi gamma”.