Rozpoznanie różnic między formowaniem się centralnych gwiazd neutronowych i czarnych dziur
Jak wiadomo, gwiazdy o masie powyżej 260 – 300 M☉ w ostatnim momencie swojego cyklu życia przekształcają się w czarne dziury. Niestety w przypadku lżejszych gwiazd zjawisko to jest bardzo nieprzewidywalne. Przy masie od 8 do 140 M☉ kolaps jądra prowadzi to powstania centralnej gwiazdy neutronowej lub – możliwe – czarnej dziury. Powstaje więc pytanie: jaki jest obszar przejściowy, w którym utworzenie się czarnej dziury jest bardziej prawdopodobne niż uformowanie się centralnej gwiazdy neutronowej? „Chcieliśmy lepiej zrozumieć końcowe etapy cyklu ewolucji gwiazd” – mówi Friedrich Thielemann, emerytowany profesor fizyki teoretycznej Uniwersytetu Bazylejskiego w Szwajcarii. „Wiemy, że gwiazdy o małej masie kończą jako białe karły. Wiemy też, że powyżej 8 Msol dochodzi do ostatecznego kolapsu gwiazdy po uprzednim uformowaniu się jądra żelazowego. Nadal jednak nie wiemy, dlaczego niektóre gwiazdy przekształcają się w supernową spowodowaną zapadnięciem się jądra (po którym powstaje centralna gwiazda neutronowa), a niektóre – w czarną dziurę. Najnowsze dane z obserwacji fal grawitacyjnych, pochodzące z detektora LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), dowodzą istnienia czarnych dziur o masie 30 Msol, a w niektórych przypadkach nawet mniejszej”. W trakcie swoich badań prof. Thielemann zgłębił wiele różnych tematów, w tym z zakresu fizyki jądrowej warunków dalekich od stabilności, równań stanu gęstych obiektów, magnetohydrodynamiki 3D z transportem neutrin i metod obliczeniowych. W pierwszym roku trwania projektu profesor stworzył bazę danych równań stanów jąder i przemian jądrowych w obrębie tabeli nuklidów. Jego zespół: dostosował kod aproksymacji źródła dyfuzji izotropowej (IDSA, Isotropic Diffusion Source Approximation) do badania wielowymiarowego transportu neutrin; przeprowadził szczegółowe porównanie kodów symulacji magnetohydrodynamicznych zapadania się jądra; sformułował przewidywania w zakresie nukleosyntezy dla magnetarów/zapadających się gwiazd i połączonych gwiazd neutronowych celem lepszego poznania zmian najcięższych elementów w czasie podczas ewolucji galaktyk. Następnie zajęto się tym, co najtrudniejsze – symulacją powstawania masy pośredniej oraz pierwiastków z grupy żelaza w zapadających się gwiazdach/hipernowych/rozbłyskach gamma: „Przeprowadziliśmy symulacje kolapsu gwiazd o różnych masach i zauważyliśmy, że istnieje (niewielka) tendencja do tworzenia się czarnych dziur, jeśli masa gwiazdy nie przekracza 25 Msol, jednak w dużej mierze zjawisko to zależy od zwartości progenitora gwiazdy” – wyjaśnia prof. Thielemann. „Czarne dziury mogą powstawać, nawet jeśli masa gwiazdy jest mniejsza od 25 Msol, zaś wybuchy supernowej – nawet gdy masa ta przekracza 25 Msol”. Dzięki wielowymiarowym symulacjom zespołowi udało się poznać nieznane dotąd aspekty procesu formowania się czarnych dziur i przewidzieć emisje fal grawitacyjnych. Badacze określili również rodzaje wybuchów, w których materia zostaje wyrzucona, oraz skład materii po wypaleniu się paliwa jądrowego i wyjaśnili, jak wpływa to na przemiany pierwiastków chemicznych podczas ewolucji galaktyk. „Odkryliśmy też ważny kanał, w którym tworzą się czarne dziury podczas połączenia dwóch gwiazd neutronowych w wyniku wybuchu supernowej. Wybuch ten powoduje wyrzucenie dużych ilości pierwiastków ciężkich jeszcze przed powstaniem czarnej dziury” – z entuzjazmem opowiada prof. Thielemann. Wysiłki uczestników projektu FISH (FaInt Supernovae and Hypernovae: Mechanism and Nucleosynthesis) pozwoliły społeczności naukowej pogłębić wiedzę na temat zmian w częstości występowania pierwiastków podczas ewolucji galaktyk oraz określić, jakie rodzaje wybuchów są odpowiedzialne za powstawanie jakich pierwiastków i jak ten proces powstawania zmienia się w czasie. Od czasu zakończenia projektu w grudniu 2016 roku zespół bada zjawiska łączenia się gwiazd neutronowych zaobserwowane niedawno przez detektory LIGO/VIRGO jako krótkotrwałe rozbłyski gamma w widmie bliskiej podczerwieni.
Słowa kluczowe
FISH, czarna dziura, gwiazda neutronowa, ciężka gwiazda, ewolucja gwiazd, supernowa, LIGO, fala grawitacyjna, zapadnięcie się gwiazdy