Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Symulacje dynamiki płynów mogą ujawnić tajemnice gęstej materii jądrowej

Naukowcy finansowani przez Unię Europejską zamierzają przyjrzeć się bliżej ekstremalnym wnętrzom najgęstszych i najdziwniejszych obiektów w kosmosie – gwiazd neutronowych poruszających się ruchem spiralnym na kursie kolizyjnym.

Badania podstawowe
Przemysł kosmiczny

Wewnątrz gwiazdy neutronowej siła grawitacji ściska materię do gęstości znacznie przekraczających te, które jesteśmy w stanie znaleźć w jądrach typowych atomów – dzięki temu jesteśmy w stanie badać nowe obszary fizyki, które wykraczają poza Model Standardowy. Ekstremalne gęstości nie pozwalają jednak na ich pomiar na drodze doświadczeń. Na szczęście Wszechświat zdecydował się nam pomóc, a nasi astronomowie zdecydowanie nie mogli przepuścić takiej okazji – w 2017 roku dzięki współpracy obserwatorium Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i Virgo udało się zarejestrować fale grawitacyjne podwójnych gwiazd neutronowych znajdujących się 140 milionów lat świetlnych od Ziemi.

Zakłócenia pływów na powierzchniach gwiazd neutronowych

Gdy dwie gwiazdy neutronowe orbitują wokół siebie, wydzielając energię w formie fal grawitacyjnych, wywołują również zakłócenia pływów na powierzchni drugiej gwiazdy. Dzięki wyraźnemu śladowi pozostawionemu w emitowanych falach grawitacyjnych udało nam się zdobyć wyjątkowe informacje na temat niecodziennego wnętrza gwiazd neutronowych. Wykorzystując równania stanu, astronomowie są w stanie matematycznie opisać zmiany wewnętrznej struktury gwiazdy neutronowej na zmiany gęstości i ciśnienia. „Podwójne gwiazdy neutronowe są jak zderzacze cząsteczek w skali astrofizycznej, dzięki czemu naukowcy są w stanie badać zjawiska fizyczne niemożliwe do odtworzenia w ziemskich zderzaczach – w szczególności silnych oddziaływania jądrowe opierające się na chromodynamice kwantowej”, zauważa Ulrich Sperhake, koordynator finansowanego przez UE projektu ACFD. Teoria ta określa równania stanu we wnętrzach gwiazd neutronowych, gdzie gęstości materii mogą być dziesięciokrotnie większe niż w przypadku zwykłej materii jądrowej. Sztywne równania stanu, w których ciśnienie rośnie gwałtownie wraz z gęstością, pozwalają na uzyskanie obrazu gwiazd o dużych promieniach oraz efektów pływów na spiralnych przebiegach fal. Co więcej, gwiazdy charakteryzujące się większą deformowalnością znacznie szybciej dążą do wzajemnego zniszczenia. „Precyzyjny pomiar deformacji gwiazd neutronowych spowodowanych przez siły pływowe pozwoliłby nam na dokładne ograniczenie równań stanu i wykorzystanie pełnego potencjału LIGO w celu dokonania przełomowych odkryć dotyczących niezwykle gęstej materii”, wyjaśnia dr Charalampos Markakis. Zespół projektu przeprowadził symulacje numeryczne w celu oszacowania parametrów równań stanu gwiazd neutronowych na podstawie obserwacji fal grawitacyjnych. W toku badań udało im się odkryć zmiany stanów (na przykład neutrony rozpadające się na kwarki dziwne) w jądrze gwiazdy, co przyczyniło się do rozluźnienia równań. „Pomiar efektów pływów na podstawie innych gwiazd neutronowych przy pomocy obserwatoriów fal grawitacyjnych drugiej i trzeciej generacji pozwoli nam na pomiar ich równań stanów”, dodaje Markakis.

Teorie matematyczne i ich wpływ na fale grawitacyjne

Korzystając z twierdzenia Kelvina dotyczącego cyrkulacji oraz trzeciego twierdzenia Helmholtza, naukowcy zajęli się badaniem zachowania materii w sytuacji ekstremalnej gęstości. Wykazali, że oba te twierdzenia nadal działają w przypadku podwójnych gwiazd neutronowych. Nowatorski system zmniejszania ograniczeń, oparty na hamiltonowskiej dynamice płynów, pozwala na zachowanie tych praw w czasie symulacji przeprowadzanych dzięki superkomputerom. Naukowcy zauważyli również, że operator energii Hamiltona jest niemal stały w przypadku układów podwójnych na orbitach okrągłych. To odkrycie może pozwolić fizykom na łatwiejsze pozyskiwanie precyzyjnych szablonów fal grawitacyjnych. „To zadziwiające, że twierdzenia matematyczne opisujące wysoce relatywistyczne przepływy w gwiazdach neutronowych w zakrzywionej czasoprzestrzeni są widoczne w falach grawitacyjnych, które wykrywamy tutaj na Ziemi, pomimo tego, że powstały 140 milionów lat świetlnych stąd”, cieszy się Markakis.

O krok bliżej do rozwiązania otwartego problemu

Zespół projektu ACFD znalazł obiecujące rozwiązanie nierozwiązanego dotychczas problemu równań Eulera-Einsteina, które przestają działać w punkcie styku cieczy (gęstej materii) i próżni. Z matematycznego punktu widzenia taki stan rzeczy powoduje utratę zbieżności punktowej w symulacjach gwiazd neutronowych. Badania przeprowadzone w ramach projektu miały na celu matematyczne i obliczeniowe zbadanie działania natury w skali, której zbadania nie umożliwia nasza wiedza. Symulacje dynamiki płynów mogą ujawnić jeszcze więcej informacji na temat niepoznanego dotychczas stanu materii w jądrach gwiazd neutronowych.

Słowa kluczowe

ACFD, fale grawitacyjne, równania stanu, podwójne gwiazdy neutronowe, spirala, dynamika płynów, gęsta materia, twierdzenie Kelvina dotyczące cyrkulacji

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania