在已知宇宙中最強(qiáng)大事件之一的兩顆中子星合并中，科學(xué)家們正在越來(lái)越好地對(duì)復(fù)雜的物理性質(zhì)進(jìn)行建模。中子星直徑約為12英里（約20km），但密度極其高，一茶匙的中子星物質(zhì)，相當(dāng)于1125座金門(mén)大橋或2735座帝國(guó)大廈的重量。2017年8月17日，科學(xué)家們觀察到引力波的特征以及相關(guān)爆炸爆發(fā)，即所謂的基洛諾娃，這可以用兩顆中子星的合并碰撞來(lái)最好地解釋。2019年4月25日，又一次可能的中子星合并事件，是完全基于引力波的測(cè)量。

雖然這些事件可以幫助比較和驗(yàn)證研究人員開(kāi)發(fā)的物理模型，以了解在這些中子星合并中起作用的是什么，但研究人員仍然必須從零開(kāi)始，才能在這些模型中構(gòu)建正確的物理模型。在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，由西北大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組：模擬了合并后物質(zhì)盤(pán)的形成。一次巨大的拋射物質(zhì)爆炸，以及圍繞剩余物體（要么是更大的中子星，要么是黑洞）啟動(dòng)高能射流的過(guò)程。

研究小組包括能源部勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)、加州大學(xué)伯克利分校、艾伯塔大學(xué)和新漢普郡大學(xué)的科學(xué)家。為了使模型比之前的努力更逼真，研究小組建立了三個(gè)獨(dú)立的模擬，測(cè)試圍繞合并的強(qiáng)大磁場(chǎng)的不同幾何形狀。研究的合著者、阿爾伯塔大學(xué)研究員羅德里戈·費(fèi)爾南德斯說(shuō)：（下面這張動(dòng)態(tài)圖一定要仔細(xì)看，多看會(huì)時(shí)間，你就能看到最精彩的部分）

我們從一套物理原理出發(fā)，進(jìn)行以前沒(méi)有人在這個(gè)水平上做過(guò)的計(jì)算。然后問(wèn)，是否相當(dāng)接近觀察結(jié)果，或者是否遺漏了什么重要的東西？進(jìn)行的三維模擬，包括在伯克利實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)的計(jì)算時(shí)間，涉及600多萬(wàn)個(gè)小時(shí)的CPU(計(jì)算機(jī)處理單元)時(shí)間。這些模擬考慮了廣義相對(duì)論磁流體動(dòng)力學(xué)(GRMHD)效應(yīng)，其中包括與磁場(chǎng)和類(lèi)流體物質(zhì)相關(guān)的屬性，以及以接近光速傳播的物質(zhì)和能量屬性。

研究人員指出，這些模擬在模擬黑洞和中子星的合并過(guò)程中也可能被證明是有用的。為了模擬基洛諾娃爆發(fā)，這是一種創(chuàng)造元素的事件，這也是向太空播撒重元素的重要事件。研究小組對(duì)其總拋射質(zhì)量、平均速度和成分進(jìn)行了估計(jì)，有了這三個(gè)量，就可以估計(jì)光曲線是否會(huì)有合適的光度、顏色和演化時(shí)間。這些基洛諾娃爆發(fā)有兩個(gè)普遍的組成部分：一個(gè)在幾天的過(guò)程中演變，其特征是它在峰值時(shí)發(fā)出標(biāo)志性的藍(lán)頻光；

另一個(gè)持續(xù)數(shù)周，有一個(gè)相關(guān)近紅外光的色峰，最新模擬旨在模擬基洛諾娃的這些藍(lán)色和紅色成分。這些模擬也有助于解釋合并后向外散發(fā)的強(qiáng)大能量噴流發(fā)射，包括由于強(qiáng)大交變磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生的噴流的“條紋”特征。可以觀察到這些噴流是伽馬射線爆發(fā)，就像2017年的事件一樣。加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)物理學(xué)和天文學(xué)副教授、伯克利實(shí)驗(yàn)室核科學(xué)部科學(xué)家丹尼爾·卡森(Daniel Kasen)說(shuō)：

磁場(chǎng)提供了一種利用旋轉(zhuǎn)黑洞的能量，并用它發(fā)射以接近光速移動(dòng)氣體射流的方法。這種射流可以產(chǎn)生伽馬射線爆發(fā)，以及延長(zhǎng)的射電和X射線發(fā)射，所有這些都出現(xiàn)在2017年的事件中。雖然模擬還沒(méi)有準(zhǔn)確地反映觀測(cè)結(jié)果，模擬顯示藍(lán)色基洛諾娃的質(zhì)量低于紅色合并產(chǎn)生的超大質(zhì)量中子星。以及與合并事件相關(guān)的豐富中微子，不受影響地穿過(guò)大多數(shù)類(lèi)型物質(zhì)的幽靈粒子，更好模型，才能改進(jìn)模型。

這個(gè)模型確實(shí)受益于圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤(pán)(吸積盤(pán))模型，以及中微子冷卻特性模型，與合并事件相關(guān)的中子和質(zhì)子體積，以及與基洛諾娃相關(guān)物質(zhì)創(chuàng)造過(guò)程的模型。模擬窺探了最極端的環(huán)境，比如在新生黑洞外晃動(dòng)的這個(gè)漩渦，并觀察和了解重元素是如何形成的。模擬表明，2017年8月觀察到的中子星合并，很可能沒(méi)有在緊隨其后形成黑洞，而且最強(qiáng)的磁場(chǎng)是甜甜圈狀。此外，這些模擬與一些長(zhǎng)期存在的流體行為模型基本一致。

博科園｜研究/來(lái)自：勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》

DOI: 10.1093/mnras/stz2552

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