當(dāng)兩個中子星猛烈撞擊在一起時，有時會形成一個黑洞，吞沒碰撞的所有引力證據(jù)。但是，在一系列模擬中，包括賓州州立大學(xué)科學(xué)家在內(nèi)的國際研究人員小組確定，這些碰撞通常很安靜(至少就我們在地球上可以檢測到的輻射而言)有時會產(chǎn)生更大的干擾。

賓州州立大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)與天體物理學(xué)助理教授，研究小組成員戴維·拉迪斯說：“當(dāng)兩個難以置信的密集坍塌的中子星合并形成一個黑洞時，強烈的引力波從撞擊中產(chǎn)生。” “我們現(xiàn)在可以使用美國的LIGO和意大利的處女座等探測器來拾取這些波。黑洞通常會吞噬合并產(chǎn)生的任何其他輻射，這些輻射我們可以在地球上探測到，但是可以通過我們模擬中，我們發(fā)現(xiàn)情況并非總是如此。”

研究團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個碰撞中子星的質(zhì)量足夠不同時，較大的同伴會撕裂較小的。這會導(dǎo)致合并速度變慢，從而使電磁“爆炸”聲逃逸。天文學(xué)家應(yīng)該能夠檢測到這種電磁信號，并且模擬提供了天文學(xué)家可能從地球?qū)ふ业倪@些嘈雜碰撞的信號。

該研究小組由國際合作的CoRe(計算相對論)成員組成，在一份在線發(fā)表在《皇家天文學(xué)會月刊》上的論文中描述了他們的發(fā)現(xiàn)。

Radice說：“最近，LIGO宣布發(fā)現(xiàn)了一個合并事件，在合并事件中，兩個明星的質(zhì)量可能大不相同。” “在這種情況下的主要結(jié)果是，我們期望引力波信號具有這種非常有特色的電磁對應(yīng)物。”

在報告2017年首次發(fā)現(xiàn)中子星合并后，LIGO團隊于2019年報告了第二次，并將其命名為GW190425。2017年碰撞的結(jié)果與天文學(xué)家的預(yù)期相符，其總質(zhì)量約為我們太陽質(zhì)量的2.7倍，兩個中子星各自的質(zhì)量大致相等。但是GW190425重得多，它們的總質(zhì)量約為3.5太陽質(zhì)量，而兩個參與者的比例更不相等-可能高達(dá)2比1。

拉迪斯說：“雖然質(zhì)量上的2比1差異似乎并不大，但中子星的質(zhì)量范圍卻很小。”

中子星只能存在于質(zhì)量約為我們太陽質(zhì)量的1.2至3倍的狹窄范圍內(nèi)。較輕的恒星殘留物不會坍塌而形成中子星，而不會形成白矮星，而較重的天體則直接塌陷而形成黑洞。當(dāng)合并的恒星之間的差異與GW190425中的差異一樣大時，科學(xué)家們懷疑合并可能更混亂，并且電磁輻射更大。天文學(xué)家沒有從GW190425的位置檢測到這樣的信號，但是那天用傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡覆蓋的天空區(qū)域還不足以排除它。

為了了解中子星不平等碰撞的現(xiàn)象，并預(yù)測天文學(xué)家可能會尋找的碰撞征兆，研究團隊使用美國匹茲堡超級計算中心的Bridges平臺和圣地亞哥超級計算機中心的Comet平臺進行了一系列模擬(均在美國國家科學(xué)中心進行)科學(xué)基金會的超級計算中心和計算機以及其他超級計算機的XSEDE網(wǎng)絡(luò)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個模擬中子星星在向?qū)Ψ奖P旋，較大的恒星的引力掰開它的合作伙伴。這意味著較小的中子星并沒有立即擊中其更大質(zhì)量的伴星。較小恒星物質(zhì)的最初傾卸使較大恒星變成黑洞。但是它的其余部分距離黑洞太遠(yuǎn)，無法立即捕獲。相反，物質(zhì)進入黑洞的速度較慢，產(chǎn)生了電磁輻射的閃光。

研究團隊希望，他們發(fā)現(xiàn)的模擬信號能夠通過結(jié)合重力波探測器和傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡幫助天文學(xué)家檢測成對的信號，從而預(yù)示著較小的中子星與較大的中子星合并會破裂。

這些模擬需要計算速度，大量內(nèi)存以及在內(nèi)存和計算之間移動數(shù)據(jù)的靈活性的不尋常組合。該團隊使用了大約500個計算核心，在大約20個不同的實例上一次運行數(shù)周。每次計算中必須考慮的許多物理量所需的內(nèi)存是典型的天體物理模擬的大約100倍。

Radice說：“ 圍繞中子星的特性存在很多不確定性。” “為了理解它們，我們必須模擬許多可能的模型，以查看哪些模型與天文觀測值兼容。對一個模型的單個模擬不會告訴我們太多;我們需要執(zhí)行大量相當(dāng)計算密集的模擬。我們需要將只有Bridges這樣的機器才能提供的高容量和高性能相結(jié)合。如果沒有這種國家的超級計算資源，這項工作是不可能的。”