Einblick in die dreidimensionale Struktur von Kilonovae

Eine neue 3D-Computersimulation des Lichts, das nach der Verschmelzung zweier Neutronensterne ausgesendet wird, hat eine ähnliche Abfolge von spektroskopischen Merkmalen ergeben wie eine real beobachtete Kilonova. „Die einmalige Übereinstimmung zwischen unseren Simulationen und den Beobachtungen von Kilonova AT2017gfo zeigt, dass wir weitgehend verstehen, was bei der Explosion und in der Folgezeit passiert ist“, sagt Lukes Shingles, Wissenschaftler bei GSI/FAIR und Hauptautor der Veröffentlichung in „The Astrophysical Journal Letters“.

Jüngste Beobachtungen, die sowohl Gravitationswellen als auch sichtbares Licht kombinieren, weisen darauf hin, dass Neutronensternenverschmelzungen der Hauptort der Elementproduktion sein könnten. Die Forschung wurde von Wissenschaftler*innen des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung und der Queen’s University Belfast durchgeführt.

Ergebnis der Kilonova-3D-Simulation. © Luke J. Shingles et al 2023 ApJL 954 L41

Die Wechselwirkungen zwischen Elektronen, Ionen und Photonen innerhalb des ausgestoßenen Materials einer Neutronensternverschmelzung bestimmen das Licht, das wir mithilfe von Teleskopen beobachten können. Diese Vorgänge und damit das emittierte Licht können mit Computersimulationen des Strahlungstransfers modelliert werden. Forschende haben kürzlich zum ersten Mal eine dreidimensionale Simulation erstellt, die die Verschmelzung von Neutronensternen, die Nukleosynthese durch Neutroneneinfang, die durch radioaktiven Zerfall deponierte Energie und den Strahlungstransfer mit Dutzenden von Millionen atomarer Übergänge schwerer Elemente in sich schlüssig abbildet.

Als 3D-Modell kann das beobachtete Licht für jede Blickrichtung vorhergesagt werden. Bei Betrachtung nahezu senkrecht zur Bahnebene der beiden Neutronensterne (wie es die Beobachtungen für die Kilonova AT2017gfo nahelegen), sagt das Modell eine Abfolge von Spektralverteilungen voraus, die den Beobachtungen für AT2017gfo bemerkenswert ähnlich sehen. „Die Forschung in diesem Bereich wird uns helfen, den Ursprung von Elementen, die schwerer als Eisen sind (wie Platin und Gold), zu verstehen, die hauptsächlich durch den schnellen Neutroneneinfangprozess bei der Verschmelzung von Neutronensternen entstanden sind“, sagt Shingles.

Etwa die Hälfte der Elemente, die schwerer als Eisen sind, entstehen in einer Umgebung mit extremen Temperaturen und Neutronendichten – z.B. wenn zwei Neutronensterne miteinander verschmelzen. Die daraus resultierende Explosion führt zum Auswurf von Materie mit den geeigneten Bedingungen, um durch eine Abfolge von Neutroneneinfang und Betazerfall instabile, neutronenreiche schwere Kerne zu erzeugen. Diese Kerne zerfallen bis zur Stabilität und setzen dabei Energie frei, die einen explosiven Kilonova-Transienten antreibt, eine helle Lichtemission, die nach etwa einer Woche schnell wieder verblasst.

Die 3D-Simulation kombiniert mehrere Bereiche der Physik, darunter das Verhalten von Materie bei hoher Dichte, die Eigenschaften instabiler schwerer Kerne und die Wechselwirkungen zwischen Atom und Licht bei schweren Elementen. Weitere Herausforderungen bleiben bestehen, wie z. B. die Berücksichtigung der Geschwindigkeit, mit der sich die Spektralverteilung ändert, und die Beschreibung von Material, das zu späten Zeiten ausgestoßen wird. Künftige Fortschritte in diesem Bereich werden die Präzision erhöhen, mit der wir Merkmale in den Spektren vorhersagen und verstehen können, und sie werden unser Verständnis der Bedingungen fördern, unter denen schwere Elemente synthetisiert wurden. Ein grundlegender Bestandteil dieser Modelle sind qualitativ hochwertige atomare und nukleare experimentelle Daten, wie sie die FAIR-Anlage liefern wird.

Originalpublikation:

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acf29a

https://www.gsi.de/start/aktuelles/detailseite/2023/10/18/einblick-in-die-dreidimensionale-struktur-von-kilonovae