PDF Basket
Projekt BNSmergers miał za zadanie, dzięki skoncentrowaniu się na badaniach nad składem wnętrza gwiazd neutronowych, przynieść odpowiedzi na podstawowe pytania współczesnej astrofizyki. Gwiazdy neutronowe to najgęstsze obiekty we wszechświecie, co oznacza, że w stosunkowo niewielkiej objętości takiej gwiazdy mieści się ogromna masa.
„Gęstość jądra gwiazdy neutronowej sięga niewyobrażalnej wartości 100 milionów ton na centymetr sześcienny”, wyjaśnia koordynator projektu Chris Van Den Broeck z Narodowego Instytutu Fizyki Subatomowej (Nikhef) w Holandii. „To czyni je idealnymi »laboratoriami« do prowadzenia badań nad materią w ekstremalnych warunkach. Założenie to okazuje się sprawdzać wyjątkowo dobrze w przypadkach, gdy dochodzi do połączenia dwóch gwiazd neutronowych w jeden układ podwójny. Masa takiego obiektu jest kompresowana do jeszcze większej gęstości niż wewnątrz pojedynczej gwiazdy”.
Oczywiście aby móc badać układy podwójne gwiazd neutronowych, astrofizycy muszą je najpierw odnaleźć. Astronomia fal grawitacyjnych, która jak sama nazwa sugeruje, wykorzystuje fale grawitacyjne do zbierania danych na temat odległych obiektów, daje astrofizykom narzędzia do wykrywania i obserwowania układów podwójnych gwiazd neutronowych, jakimi nie dysponowali nigdy wcześniej.
„Metoda ta bazuje na bardzo szczegółowym zrozumieniu procesu łączenia się gwiazd”, mówi Van Den Broeck. „Zazwyczaj powodzenie takiej analizy wymaga zastosowania bardzo rozbudowanych modeli teoretycznych, które opisują zaburzenia pola grawitacyjnego i sygnały elektromagnetyczne generowane podczas połączenia gwiazd oraz zaraz po nim. Dlatego głównym celem projektu BNSmergers było opracowanie takich modeli specjalnie z myślą o podwójnych gwiazdach neutronowych”.
Analiza fal grawitacyjnych
Projekt uruchomiony przy wsparciu z finansowanego przez UE programu działań „Maria Skłodowska-Curie” bazuje na niedawnych odkryciach, które zupełnie odmieniły astronomię. Fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur zarejestrowano po raz pierwszy w 2015 roku, a pierwsza obserwacja sprzężonych zaburzeń pola grawitacyjnego i elektromagnetycznego wytworzonych podczas połączenia dwóch gwiazd neutronowych w układ podwójny nastąpiła w 2017 roku.
Tim Dietrich, stypendysta działań „Maria Skłodowska-Curie” z instytutu Nikhef w Holandii dodaje: „Mimo to modelowanie układów o wysokiej gęstości stanowi nadal jeden z największych problemów fizyki teoretycznej. Przeprowadzenie jednej symulacji może wymagać wielotygodniowych, a czasem wielomiesięcznych obliczeń na superkomputerze”.
Rozwiązaniem tego problemu ma być opracowany przez Dietricha i jego kolegów nowy szkielet analityczny, bazujący na setkach danych zebranych z symulacji obliczeniowych. Dostęp do takiego narzędzia pozwoli astrofizykom znacznie przyspieszyć pracę względem tempa, jakie umożliwiają obecne metody prowadzenia symulacji numerycznych. „Przybliżenie jest również wystarczająco dokładne, by móc zastosować je bezpośrednio do analizy sygnałów fal grawitacyjnych”, mówi Dietrich.
Baza danych gwiazd
Wyniki mogą pomóc astrofizykom w odkryciu niektórych z sekretów wszechświata. „Udało się nam ulepszyć istniejące modele fal grawitacyjnych wykorzystywane do opisu sygnałów elektromagnetycznych generowanych podczas połączenia gwiazd neutronowych w układ podwójny”, wyjaśnia Dietrich.
„Dzięki temu zyskaliśmy dostęp do nowych informacji na temat właściwości gwiazd neutronowych, stanu materii w ich wnętrzu, a nawet tempa rozszerzania się wszechświata. Modele te mają też potencjał w zakresie prowadzenia badań nad bardziej niecodziennymi gęstymi obiektami, takimi jak gwiazdy składające się wyłącznie z ciemnej materii, i o ile rozważanie tego typu scenariuszy to zasadniczo spekulacje, podobne inwestycje natury teoretycznej są niezbędne, by potwierdzić lub wykluczyć istnienie takich obiektów”.
Dietrich otrzymał ostatnio prestiżową nagrodę Heinza Billinga za postępy w dziedzinie obliczeń naukowych za prace prowadzone w ramach projektu BNSmergers. Nagroda jest przyznawana raz na dwa lata przez Towarzystwo im. Maxa Plancka w Niemczech za wyjątkowe dokonania w dziedzinie fizyki komputerowej. „To, że przyznano mi nagrodę Heinza Billinga za postępy w obliczeniach naukowych za pracę nad relatywistyką numeryczną to kolejny dowód na to, jak ważna staje się astronomia fal grawitacyjnych”, zauważa Dietrich.
Wynikiem prowadzenia projektu jest także uruchomienie pierwszej bazy danych zawierającej rekordy dotyczące fal grawitacyjnych układów podwójnych gwiazd neutronowych. Symulacje prowadzone w ramach projektu oraz te wykonane przed jego uruchomieniem zostały upublicznione. Już teraz wielu naukowców zajmujących się badaniem gwiazd neutronowych skorzystało z tego źródła danych. Van Den Broeck podsumowuje: „Mamy nadzieję, że dzięki temu wyniki badań, które prowadziliśmy przez kilka ostatnich lat, przyniosą pożytek całej społeczności naukowej”.