PDF Basket
Het BNSmergers-project zocht het antwoord op een aantal fundamentele vragen in de moderne astrofysica door zich te concentreren op de interne samenstelling van neutronensterren. Neutronensterren zijn de meest compacte objecten in ons heelal, wat betekent dat ze zeer hoge massa’s concentreren binnen een zeer klein volume.
“Dichtheden in de kern van een neutronenster bereiken een ongelooflijke 100 miljoen ton per kubieke centimeter,” verklaart projectcoördinator Chris van den Broeck van het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) in Nederland. “Dit maakt ze ideaal als ‘laboratoria’ voor omgevingen met extreme materie. Dit geldt vooral wanneer twee neutronensterren samensmelten, waardoor een binair neutronensterrenstelsel ontstaat. Dit resulteert in nog hogere dichtheden dan binnen één enkele ster.”
Om binaire neutronensterrenstelsel te kunnen bestuderen, moeten astrofysici ze eerst vinden. Zwaartekrachtgolfastronomie, een wetenschap die, zoals de naam al doet vermoeden, zwaartekrachtgolven gebruikt om gegevens over verre objecten te verzamelen, biedt astrofysici de mogelijkheid om binaire neutronensterrenstelsels te detecteren en te observeren als nooit tevoren.
“Dit werk is gebaseerd op een gedetailleerd inzicht in de fusieprocessen,” aldus Van den Broeck. “Dit is gewoonlijk alleen mogelijk met zeer geavanceerde theoretische modellen die de zwaartekrachtgolf en elektromagnetische signalen beschrijven die tijdens en na de fusie vrijkomen. De ontwikkeling van dergelijke modellen voor generieke binaire neutronensterren was het belangrijkste doel van BNSmergers.”
Analyseren van gravitatiegolven
Het project, dat werd uitgevoerd met de steun van het door de EU gefinancierde Marie Skłodowska-Curie Actions-programma, bouwt voort op recente ontdekkingen die de astronomie hebben veranderd. De eerste directe waarneming van zwaartekrachtgolven door de botsing van twee zwarte gaten vond pas in 2015 plaats, terwijl de eerste gecombineerde waarneming van zwaartekrachtgolven en elektromagnetische golven als gevolg van de fusie van een binaire neutronenster in 2017 plaatsvond.
“Het modelleren van materie met een hoge dichtheid blijft echter een van de meest uitdagende problemen in de theoretische fysica,” voegt Tim Dietrich, Marie Skłodowska-Curie-onderzoeker bij Nikhef, toe. “Zelfs één enkele simulatie kan weken of zelfs maanden op een supercomputer draaien.”
Om dit probleem op te lossen, hebben Dietrich en zijn collega’s een nieuw analytisch kader ontwikkeld, gebaseerd op honderden verzamelde computersimulaties. Dit stelt astrofysici in staat veel sneller te werken dan met bestaande numerieke relativiteitssimulaties. “Deze benadering is ook nauwkeurig genoeg om direct te worden gebruikt om zwaartekrachtgolfsignalen te analyseren,” vertelt Dietrich.
Database van de sterren
Deze resultaten zouden astrofysici kunnen helpen enkele geheimen van het heelal te ontsluiten. “We waren in staat om bestaande zwaartekrachtgolfmodellen te verbeteren die worden gebruikt om de elektromagnetische signalen te beschrijven die verbonden zijn aan binaire neutronensterfusies,” legt Dietrich uit.
“Dit heeft tot nieuwe informatie geleid over de eigenschappen van neutronensterren, de toestand van de materie binnen deze sterren, en zelfs over de uitdijingsnelheid van het heelal. Deze modellen bieden ook de mogelijkheid om meer exotische compacte objecten te bestuderen, zoals sterren die alleen uit donkere materie bestaan. Hoewel deze scenario’s over het algemeen meer speculatief zijn, zijn er theoretische investeringen nodig om hun bestaan uit te sluiten of te bevestigen.”
Dietrich ontving onlangs de prestigieuze Heinz Billing-prijs voor de vooruitgang van wetenschappelijke berekeningen voor zijn werk aan het BNSmergers-project. De prijs wordt elke 2 jaar uitgereikt door de Max Planck Society in Duitsland voor ‘uitmuntende bijdragen aan computationele wetenschap’. “Het feit dat ik de Heinz Billing-prijs voor de vooruitgang van wetenschappelijke berekeningen voor mijn werk op het gebied van numerieke relativiteitstheorie heb ontvangen, is een verder bewijs van het toenemende belang van de zwaartekrachtgolf-astronomie,” merkt Dietrich op.
Het project heeft ook geresulteerd in de eerste zwaartekrachtgolfdatabase voor binaire neutronensterrenstelsels. Projectsimulaties, samen met simulaties die vóór de start van het project zijn uitgevoerd, zijn openbaar gemaakt. Talloze wetenschappers hebben al gebruik gemaakt van dit hulpmiddel om hun onderzoek naar neutronensterren te ondersteunen. “We hopen dat op deze manier de hele wetenschappelijke gemeenschap kan profiteren van ons wetenschappelijk werk van de afgelopen jaren,” concludeert Van den Broeck.