當(dāng)兩個(gè)中子星猛烈撞擊在一起時(shí)，有時(shí)會(huì)形成一個(gè)黑洞，吞沒(méi)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(guó)際研究人員小組確定，這些碰撞通常很安靜(至少就我們?cè)诘厍蛏峡梢詸z測(cè)到的輻射而言)有時(shí)會(huì)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(shuō)：“當(dāng)兩個(gè)難以置信的密集坍塌的中子星合并形成一個(gè)黑洞時(shí)，強(qiáng)烈的引力波從撞擊中產(chǎn)生。” “我們現(xiàn)在可以使用美國(guó)的LIGO和意大利的處女座等探測(cè)器來(lái)拾取這些波。黑洞通常會(huì)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(cè)到，但是可以通過(guò)我們模擬中，我們發(fā)現(xiàn)情況并非總是如此。”

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)碰撞中子星的質(zhì)量足夠不同時(shí)，較大的同伴會(huì)撕裂較小的。這會(huì)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(cè)到這種電磁信號(hào)，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(hào)。

該研究小組由國(guó)際合作的CoRe(計(jì)算相對(duì)論)成員組成，在一份在線(xiàn)發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上的論文中描述了他們的發(fā)現(xiàn)。

Radice說(shuō)：“最近，LIGO宣布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)合并事件，在合并事件中，兩個(gè)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(hào)具有這種非常有特色的電磁對(duì)應(yīng)物。”

在報(bào)告2017年首次發(fā)現(xiàn)中子星合并后，LIGO團(tuán)隊(duì)于2019年報(bào)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(yáng)質(zhì)量的2.7倍，兩個(gè)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(yáng)質(zhì)量，而兩個(gè)參與者的比例更不相等-可能高達(dá)2比1。

拉迪斯說(shuō)：“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(yáng)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(huì)坍塌而形成中子星，而不會(huì)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(shí)，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(méi)有從GW190425的位置檢測(cè)到這樣的信號(hào)，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(cè)天文學(xué)家可能會(huì)尋找的碰撞征兆，研究團(tuán)隊(duì)使用美國(guó)匹茲堡超級(jí)計(jì)算中心的Bridges平臺(tái)和圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的Comet平臺(tái)進(jìn)行了一系列模擬(均在美國(guó)國(guó)家科學(xué)中心進(jìn)行)科學(xué)基金會(huì)的超級(jí)計(jì)算中心和計(jì)算機(jī)以及其他超級(jí)計(jì)算機(jī)的XSEDE網(wǎng)絡(luò)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)模擬中子星星在向?qū)Ψ奖P(pán)旋，較大的恒星的引力掰開(kāi)它的合作伙伴。這意味著較小的中子星并沒(méi)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(wú)法立即捕獲。相反，物質(zhì)進(jìn)入黑洞的速度較慢，產(chǎn)生了電磁輻射的閃光。

研究團(tuán)隊(duì)希望，他們發(fā)現(xiàn)的模擬信號(hào)能夠通過(guò)結(jié)合重力波探測(cè)器和傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡幫助天文學(xué)家檢測(cè)成對(duì)的信號(hào)，從而預(yù)示著較小的中子星與較大的中子星合并會(huì)破裂。

這些模擬需要計(jì)算速度，大量?jī)?nèi)存以及在內(nèi)存和計(jì)算之間移動(dòng)數(shù)據(jù)的靈活性的不尋常組合。該團(tuán)隊(duì)使用了大約500個(gè)計(jì)算核心，在大約20個(gè)不同的實(shí)例上一次運(yùn)行數(shù)周。每次計(jì)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(shuō)：“ 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(cè)值兼容。對(duì)一個(gè)模型的單個(gè)模擬不會(huì)告訴我們太多;我們需要執(zhí)行大量相當(dāng)計(jì)算密集的模擬。我們需要將只有Bridges這樣的機(jī)器才能提供的高容量和高性能相結(jié)合。如果沒(méi)有這種國(guó)家的超級(jí)計(jì)算資源，這項(xiàng)工作是不可能的。”