Simulações computacionais tridimensionais avançadas refletem de perto as observações reais da luz emitida pelas fusões de estrelas de nêutrons, aprofundando nossa compreensão da origem dos elementos pesados. Novas simulações computacionais tridimensionais avançadas da luz emitida pela fusão de duas estrelas de nêutrons produzem uma sequência de assinaturas espectrais semelhante àquelas observadas em quilonovas.
Duas estrelas de nêutrons se fundindo. Avanços recentes em simulações tridimensionais de computador estão proporcionando uma compreensão mais profunda da luz emitida pela fusão de estrelas de nêutrons. Essas simulações são cruciais para compreender as origens dos elementos mais pesados que o ferro. Fonte: DanaBerrySkyWorksDigital,Inc.
"A concordância sem precedentes entre as nossas simulações e as observações da quilonova AT2017gfo mostra que temos uma ideia aproximada do que aconteceu durante e após a explosão," disse o cientista do GSI/FAIR Luke J. Shingles, principal autor do artigo publicado no The Astrophysical Journal Letters. "Observações recentes combinando ondas gravitacionais e luz visível sugerem que as fusões de estrelas de nêutrons são o principal local para a produção deste elemento."
A mecânica por trás das simulações de transferência radiativa
As interações entre elétrons, íons e fótons no material ejetado quando as estrelas de nêutrons se fundem determinam a luz que vemos através dos telescópios. Tanto esses processos quanto a luz emitida podem ser modelados usando simulações computacionais de transferência radiativa. Pesquisadores produziram recentemente pela primeira vez uma simulação tridimensional que pode rastrear de forma autoconsistente a energia depositada por fusões de estrelas de nêutrons, nucleossíntese de captura de nêutrons, decaimento radioativo e transferência radiativa de dezenas de milhões de transições atômicas em elementos pesados.
O epicentro serve como modelo tridimensional e os raios de luz observados podem ser previstos em qualquer direção de visualização. Quando a direção de observação é quase perpendicular ao plano orbital de duas estrelas de nêutrons (como a quilonova AT2017gfo mostrada por evidências observacionais), a sequência de distribuição espectral prevista pelo modelo é muito semelhante à observada AT2017gfo. “A pesquisa nesta área nos ajudará a compreender as origens de elementos mais pesados que o ferro, como a platina e o ouro, que foram produzidos principalmente por processos rápidos de captura de nêutrons em fusões de estrelas de nêutrons”, disse Shingles.
Cerca de metade dos elementos mais pesados que o ferro foram criados em ambientes com temperaturas e densidades de nêutrons extremas, como quando duas estrelas de nêutrons se fundem. Quando as duas estrelas de nêutrons eventualmente precessam uma à outra e se condensam, a explosão resultante faz com que o material seja ejetado, o que, nas condições certas, produz núcleos pesados ricos em nêutrons instáveis através de uma cascata de captura de nêutrons e decaimento beta. Esses núcleos decaem para um estado estável, liberando energia que alimenta o transitório explosivo "kilonova", uma emissão de luz brilhante que desaparece rapidamente ao longo de cerca de uma semana.
As simulações tridimensionais combinam diversas áreas da física, incluindo o comportamento da matéria em altas densidades, as propriedades de núcleos pesados instáveis e as interações átomo-luz de elementos pesados. Outros desafios permanecem, como o cálculo da taxa de mudança da distribuição espectral e a caracterização do material ejetado em estágio final.
Avanços futuros nesta área melhorarão a precisão com que prevemos e compreendemos as características espectrais e aprofundarão ainda mais a nossa compreensão das condições para a síntese de elementos pesados. Um elemento essencial destes modelos são dados experimentais atômicos e nucleares de alta qualidade, que a instalação FAIR fornecerá.