Gwiazda neutronowa to na pierwszy rzut oka niepozorna kula o średnicy około dwudziestu kilometrów. W rzeczywistości jest to jednak jeden z najbardziej fascynujących obiektów we wszechświecie. W kuli o średnicy dwudziestu kilometrów znajduje się bowiem masa porównywalna z masą 1,5-2 mas Słońca. Trudno to sobie wyobrazić, jeżeli zwrócimy uwagę na fakt, że Słońce ma średnicę około 1,4 miliona kilometrów. To dokładnie tak, jakbyśmy wzięli takie dwa Słońca i ścisnęli je w kulę o średnicy kilkunastu kilometrów. Gęstość takiego obiektu jest wprost niewyobrażalna. Czy zatem tak małe — choć masywne — obiekty można badać z odległości setek lat świetlnych?
Statystyka mówi, że większość gwiazd we wszechświecie nie powstaje samotnie, a tworzy z innymi gwiazdami układy podwójne, potrójne, czy wielokrotne. Jeżeli zatem jedna z gwiazd takiego układu podwójnego zakończy swój żywot w eksplozji supernowej, pozostawiając po sobie jedynie gwiazdę neutronową, to naukowcy mogą badać taką pozostałość po dawnej gwieździe, przyglądając się uważnie drugiej gwieździe układu.
Czytaj także: Wewnątrz gwiazdy neutronowej znajduje się coś niewyobrażalnego. Są nowe dowody
Mała gwiazda neutronowa, dzięki swojej masie i grawitacji może przyciągać materię ze swojego gwiezdnego towarzysza, szczególnie gdy ten przechodzi przez etap czerwonego olbrzyma. Taka materia oderwana od gwiazdy osadza się na powierzchni gwiazdy neutronowej, gdzie pod wpływem grawitacji powoduje inicjację reakcji termojądrowych, a tym samym emisję promieniowania rentgenowskiego.
Naukowcy od dawna starają się zrozumieć procesy prowadzące do eksplozji termojądrowych na powierzchni gwiazdy neutronowej, czyli w warunkach, których nie sposób odtworzyć w laboratoriach ziemskich. W tym celu wykorzystuje się symulacje realizowane na największych superkomputerach na powierzchni Ziemi. W zależności od potrzeb i możliwości naukowcy wykorzystują dwu- lub trójwymiarowe modele rozbłysków rentgenowskich na powierzchni gwiazdy neutronowej.
W najnowszym artykule naukowym badacze postanowili porównać wyniki symulacji 2D i 3D przeprowadzonych na superkomputerze Summit zlokalizowanym w instytucie Oak Ridge Leadership Computing Facility. Głównym celem było sprawdzenie, jak zachowuje się materia na powierzchni gwiazdy neutronowej, w warunkach ekstremalnie wysokiej grawitacji. Paradoksalnie, niejako przy okazji modele komputerowe reakcji termojądrowych oraz promieniowania rentgenowskiego pozwalają ustalić nowe ograniczenia na rozmiary badanej gwiazdy neutronowej.
Nie chodzi tutaj jednak jedynie o poznanie samej wartości promienia gwiazdy neutronowej. Wartość ta wraz z masą stanowi jeden z kluczowych czynników pozwalających zrozumieć wnętrze takiego obiektu, które musi być opisane przez tzw. równanie stanu gwiazdy. To dopiero mając te wszystkie dane, naukowcy mogą ustalić w jaki sposób ciśnienie i energie wewnątrz gwiady wpływają na jej temperaturę, skład chemiczny i gęstość tak ekstremalnego obiektu.
Zadanie to nie jest jednak takie proste do wykonania. Astrofizycy musieli najpierw przeprowadzić symulację ewolucji płomieni rozbłysku promieniowania rentgenowskiego na powierzchni gwiazdy neutronowej. W trakcie symulacji naukowcy sprawdzali, jak rozprzestrzenia się płomień w różnych temperaturach i przy różnych prędkościach obrotowych gwiazdy neutronowej. Dopiero na podstawie takiej symulacji dwuwymiarowej można było przeprowadzić symulację trójwymiarową.
Czytaj także: Gwiazda neutronowa: czym jest i jak powstaje? Czy zawdzięczamy jej powstanie Ziemi?
Im dokładniej poznamy zachowanie rozbłysków i płomieni na powierzchni gwiazdy, tym lepiej poznamy samą gwiazdę neutronową. Opisana w artykule opublikowanym w periodyku The Astrophysical Journal symulacja skupiała się na gwieździe neutronowej, której powierzchnia jest milion razy gorętsza od Słońca i która rotuje w tempie 1000 obrotów na sekundę.
Fakt, że pomiary tempa spalania wodoru na powierzchni gwiazdy neutronowej w symulacji dwu- i trójwymiarowej były do siebie zbliżone, potwierdził zasadność wykorzystywania mniej wymagających obliczeniowo symulcji dwuwymiarowych do modelowania gwiazdy neutronowej. Trójwymiarowe symulacje konieczne są dopiero na etapie analizy turbulencji, z jakimi musi się zmierzyć płomień przemieszczający się po powierzchni gwiazdy.
„Jesteśmy blisko modelowania płomienia rozprzestrzeniającego się na całą gwiazdę od bieguna do bieguna” – przyznają autorzy opracowania. Można zatem śmiało założyć, że nasza wiedza o tych tajemniczych i ekstremalnych obiektach będzie w najbliższych latach szybko ewoluować.