Взаимодействия между электронами, ионами и фотонами внутри материала, выброшенного в результате слияния нейтронных звезд, определяют свет, который мы можем видеть в телескопы. Эти процессы можно смоделировать с помощью компьютерных симуляций переноса излучения. Недавно исследователи впервые создали трехмерную модель, которая последовательно отслеживает слияние нейтронных звезд, нуклеосинтез с нейтронным захватом, энергию, выделяемую в результате радиоактивного распада, и радиационный перенос с десятками миллионов атомных переходов тяжелых элементов.

Благодаря тому, что полученная модель трехмерная, излучаемый свет можно предсказать для любой точки наблюдения. Если смотреть почти перпендикулярно плоскости орбит двух нейтронных звезд (как показывают данные килоновой AT2017gfo), модель предсказывает последовательность спектральных распределений, которые выглядят удивительно похожими на то, что наблюдалось в жизни. 

"Исследования в этой области помогут нам понять происхождение элементов тяжелее железа (таких как платина и золото), которые в основном образуются в результате быстрого процесса захвата нейтронов при слиянии нейтронных звезд", — говорит Люк Дж. Шинглс, ученый из Центра по изучению тяжёлых ионов имени Гельмгольца и ведущий автор исследования. 

Около половины элементов тяжелее железа производятся в среде экстремальных температур и нейтронных плотностей. Эти условия достигаются при слиянии двух нейтронных звезд друг с другом. Когда они в конечном итоге сближаются, возникающий при этом взрыв приводит к выбросу материи с соответствующими условиями для образования нестабильных, богатых нейтронами тяжелых ядер. Они распадаются до достижения стабильности, высвобождая энергию, которая приводит в действие переходный процесс килоновой — яркое излучение света, которое быстро тускнеет примерно за неделю.

Трехмерное моделирование объединяет несколько областей физики, включая поведение материи при высоких плотностях, свойства нестабильных тяжелых ядер и взаимодействие атомов тяжелых элементов с легкими. 

Тем не менее нерешенным остается целый ряд задач, в том числе учет скорости изменения спектрального распределения и описание материала, выброшенного впоследствии. Будущий прогресс в этой области повысит точность, с которой ученые смогут предсказывать и понимать особенности спектров и условий, в которых были синтезированы тяжелые элементы.

 Фундаментальным компонентом этих моделей являются высококачественные атомные и ядерные экспериментальные данные, которые будут предоставлены Центром по исследованию ионов и Антипротонов FAIR.

Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.