當兩顆中子星相撞時，宇宙會發出一系列壯觀的信號——引力波、閃光、中微子流以及電磁波譜中的能量爆發。這些罕見的宇宙碰撞是多信使天文學的完美候選對象，這是一種觀測宇宙的強大新方法，它結合了來自不同類型探測器的信息，從而獲得同一事件的完整圖像。

中子星合并后約1.3秒的數值模擬靜態圖像。藍色和綠色輪廓線表示中心殘余黑洞周圍的物質密度。洋紅色線表示磁場線，箭頭表示磁層外流（噴流）。圖片來源：K. Hayashi / 馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所）

為了捕捉所有這些信號，科學家需要的不僅僅是傳統的望遠鏡。他們依賴于一個國際儀器網絡，其中包括引力波探測器、中微子觀測站以及太空和地面望遠鏡。但要協調所有這些儀器，需要高精度的模型來精確地知道要尋找什么以及何時尋找。

這就是重大突破的到來。

“從第一性原理預測雙中子星合并的多信使信號極其困難。現在我們成功了，”位于波茨坦科技園的馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所）計算相對論天體物理系的博士后研究員Kota Hayashi說道。“利用日本的富岳超級計算機，我們進行了迄今為止耗時最長、最復雜的雙中子星合并模擬。”

Hayashi和他的團隊使用了日本的富岳超級計算機（世界上最強大的超級計算機之一）從頭到尾模擬了中子星碰撞。此次模擬是迄今為止最長、最詳細的模擬，涵蓋了1.5秒的實時時間，耗費了1.3億個CPU小時。在峰值期間，它最多可同時運行8萬個處理器。

該模型融合了愛因斯坦廣義相對論、中微子發射和強磁場的影響，捕捉到了這些致密、垂死的恒星在螺旋旋轉、碰撞并形成黑洞時內部的極端物理現象。

模擬從極少數假設開始——具有強磁場的中子星相互繞轉——并基于基本物理原理，使雙星自洽地隨時間演化。“我們的新模擬追蹤了雙星的整個演化過程：旋進、合并、合并后階段，包括噴流的形成。它首次完整地描繪了整個過程，從而為未來觀測此類事件提供了寶貴的信息，”Kota Hayashi 解釋道。

最初，兩顆中子星（模擬質量分別為太陽的1.25倍和1.65倍）相互繞轉五圈。在此螺旋階段，它們會因失去軌道能量而相互墜落，這些能量以引力波的形式發射出去。由于總質量巨大，合并遺跡會迅速坍縮成黑洞。模擬結果預測了引力波信號，這是第一個可觀測的多信使信號。

合并后，殘留黑洞周圍會形成一個物質盤。盤中的磁場因磁力線的纏繞和發電機效應而被放大。與黑洞快速自旋的相互作用進一步增強了磁場，從而產生了沿黑洞自轉軸的能量流出。

“我們認為，這種由磁場驅動的沿黑洞軸線的能量流，為伽馬射線爆發提供了能量，”計算相對論天體物理學系主任Masaru Shibata說道。“這與我們從之前的觀測中了解到的情況相符，并為中子星合并的內部運作提供了進一步的見解。”

該團隊進一步利用他們的模擬結果，推導出雙中子星合并預期產生的中微子發射。“我們對噴流形成和磁場動力學的了解，對于我們解讀和理解中子星合并及其相關事件至關重要，”柴田勝解釋道。模擬結果提供了有多少物質被噴射到星際介質中的信息，從而可以預測千新星。千新星是由富含重元素的氣體和塵埃組成的發光云。2017年8月17日，兩顆中子星首次碰撞，被引力波探測器以及隨后的其他各種望遠鏡探測和監測到，研究人員發現了比鐵更重的元素，例如金。盡管理論物理學家懷疑這類千新星會產生這些特別重的元素，但這一理論在2017年首次得到證實。恒星內部只能產生鐵和更輕的元素。

編譯自/ScitechDaily