고급 3차원 컴퓨터 시뮬레이션은 중성자별 합병에 의해 방출되는 빛의 실제 관찰을 밀접하게 반영하여 중원소의 기원에 대한 이해를 심화시킵니다. 두 개의 중성자별의 합병으로 방출되는 빛에 대한 새로운 고급 3차원 컴퓨터 시뮬레이션은 킬로노바에서 관찰된 것과 유사한 일련의 스펙트럼 특성을 생성합니다.
두 개의 중성자별이 합쳐지는 모습. 최근 3차원 컴퓨터 시뮬레이션의 발전으로 중성자별 병합에서 방출되는 빛에 대한 더 깊은 이해가 가능해졌습니다. 이러한 시뮬레이션은 철보다 무거운 원소의 기원을 이해하는 데 중요합니다. 출처: DanaBerrySkyWorksDigital,Inc.
"kilonova AT2017gfo에 대한 시뮬레이션과 관찰 사이의 전례 없는 일치는 우리가 폭발 전후에 무슨 일이 일어났는지 대략적으로 알고 있음을 보여줍니다."라고 The Asphysical Journal Letters의 논문 주저자인 GSI/FAIR 과학자 Luke J. Shingles는 말했습니다. "중력파와 가시광선을 결합한 최근 관측에 따르면 중성자별 합병이 이 원소 생산의 주요 장소임을 시사합니다."
복사 전달 시뮬레이션의 메커니즘
중성자별이 합쳐질 때 방출되는 물질의 전자, 이온 및 광자 사이의 상호 작용은 우리가 망원경을 통해 보는 빛을 결정합니다. 이러한 과정과 방출된 빛은 모두 복사 전달의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 모델링할 수 있습니다. 연구자들은 최근 중성자별 합병, 중성자 포획 핵합성, 방사성 붕괴 및 중원소에서 수천만 개의 원자 전이의 복사 전달에 의해 축적된 에너지를 일관되게 추적할 수 있는 3차원 시뮬레이션을 처음으로 제작했습니다.
진앙은 3차원 모델 역할을 하며 관찰된 광선은 어떤 방향에서도 예측할 수 있습니다. 관측 방향이 두 개의 중성자별(예: 관측 증거로 표시된 킬로노바 AT2017gfo)의 궤도면에 거의 수직인 경우 모델에 의해 예측된 스펙트럼 분포 순서는 관측된 AT2017gfo와 매우 유사합니다. Shingles는 "이 분야의 연구는 주로 중성자별 합병에서 빠른 중성자 포획 과정에 의해 생성된 백금이나 금과 같은 철보다 무거운 원소의 기원을 이해하는 데 도움이 될 것"이라고 말했습니다.
철보다 무거운 원소의 약 절반은 두 개의 중성자별이 서로 합쳐질 때와 같이 극한의 온도와 중성자 밀도가 있는 환경에서 생성되었습니다. 두 개의 중성자별이 결국 서로 세차운동을 하고 함께 응축될 때 발생하는 폭발로 인해 물질이 분출되며, 적절한 조건에서 중성자 포획과 베타 붕괴의 연속을 통해 불안정한 중성자가 풍부한 중핵이 생성됩니다. 이러한 핵은 안정적인 상태로 붕괴되어 폭발적인 "킬로노바" 과도 현상에 전력을 공급하는 에너지를 방출합니다. 이 폭발은 약 일주일에 걸쳐 빠르게 사라지는 밝은 빛 방출입니다.
3차원 시뮬레이션은 고밀도 물질의 거동, 불안정한 중핵의 특성, 중원소의 원자-광 상호작용 등 물리학의 여러 영역을 결합합니다. 스펙트럼 분포의 변화율을 계산하고 후기 단계에서 방출된 물질을 특성화하는 것과 같은 더 많은 과제가 남아 있습니다.
이 분야의 미래 발전은 스펙트럼 특징을 예측하고 이해하는 정확도를 향상시킬 것이며 중원소 합성 조건에 대한 이해를 더욱 심화시킬 것입니다. 이러한 모델의 필수 요소는 FAIR 시설이 제공할 고품질 원자 및 핵 실험 데이터입니다.