Fizycy UŁ stworzyli model do analizy danych z obserwacji gwiazd neutronowych

Wszechświat kryje wiele obiektów, które stanowią badawcze wyzwania dla astrofizyków. Obok dość dobrze już poznanych czarnych dziur, są to także gwiazdy neutronowe. Naukowcy z Uniwersytetu Łódzkiego – dr Michał Szanecki z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej, prof. Andrzej Maciołek-Niedźwiecki z Katedry Astrofizyki – oraz wybitny astrofizyk prof. Andrzej Zdziarski z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie stworzyli model, dzięki któremu możliwa jest analiza procesów odpowiedzialnych za emisję promieniowania rentgenowskiego w obrębie gwiazd neutronowych.

Gwiazdy neutronowe są to dość egzotyczne obiekty zbudowane, w odróżnieniu od czarnych dziur, tylko z materii neutronowej. Wykazują mniejsze masy niż czarne dziury; są końcowym stadium ewolucji gwiazd o wielkich masach (nawet do 10 mas Słońca). Do ich obserwacji i zjawisk zachodzących w bezpośrednim sąsiedztwie tych gwiazd niezbędne są specjalistyczne narzędzia – modele je opisujące.

– Wokół gwiazd neutronowych zachodzą bardzo ciekawe procesy, m.in. uwalnianie olbrzymiej ilości energii, która trafia w zakres energetyczny odpowiadający promieniowaniu rentgenowskiemu, takiemu samemu jak wykorzystywane np. w diagnostyce. Dzięki analizie widma tego promieniowania można określić, co dzieje się w tych obiektach. I temu służy nasz autorski model – wyjaśnia dr Michał Szanecki.

Rozwój astrofizyki i międzynarodowy zasięg badań

Czarna dziura, określana jako obszar czasoprzestrzeni, posiada wewnątrz siebie tzw. osobliwość – znajduje się w niej bardzo duże (lub nawet nieskończone) pole grawitacyjne, które powoduje, że nic, nawet fotony (cząstki światła), nie mogą się z niej wydostać. Czarne dziury są w zasadzie dobrze poznane, istnieją już narzędzia do ich badań, dlatego naukowcy skierowali swoją uwagę na gwiazdy neutronowe, wokół których również obserwuje się takie formacje, jak dyski akrecyjne (wirujące struktury uformowane przez pył i gaz, opadający na silne źródło grawitacji). Występują one w układach gwiazd podwójnych, w których materia odpadająca od gwiazdy-dawcy spada na gwiazdę neutronową, tworząc wokół niej dysk odbijający promieniowanie.

Dla opisu tak skomplikowanych konfiguracji, jakimi są układy z gwiazdą neutronową, wymagane jest silnie interdyscyplinarne podejście, z uwzględnieniem mechaniki kwantowej, kwantowej teoria pola, hydrodynamiki czy ogólnej teorii względności. Jednym z najważniejszych elementów w badaniach obiektów z emisją promieniowania rentgenowskiego jest model, w którym wykorzystuje się matematyczny opis zjawisk fizycznych.

Przy olbrzymiej złożoności zjawisk i procesów, jakie należy uwzględnić w obliczeniach, jedyną efektywną metodologią jest wykorzystanie obliczeń i symulacji numerycznych. Obecnie do analizy widm obserwowanych z dysków akrecyjnych wokół czarnych dziur, stosuje się bogatą rodzinę powszechnie dostępnych modeli, wśród których jednym z najdokładniejszych jest ten stworzony przez dra Michała Szaneckiego, we współpracy z prof. Andrzejem Niedźwieckim i prof.  Andrzejem Zdziarskim, w którym uwzględniono efekty ogólnej teorii względności.

– Do poprawnej analizy promieniowania rentgenowskiego, uwalnianego w obrębie gwiazd neutronowych, niezbędny jest jednak model inny niż dla czarnych dziur. W związku z tym, że gwiazdy neutronowe, w przeciwieństwie do czarnych, dziur mają sztywną powłokę, promieniowanie może odbić się nie tylko od dysku akrecyjnego, ale również od niej samej. Nasz model pozwala na analizę widma rentgenowskiego emitowanego z bezpośredniego otoczenia tych gwiazd. Wcześniejsze modele, które opracowaliśmy, już wzbudziły zainteresowanie w międzynarodowym środowisku naukowym i okazały się użytecznymi narzędziami badań – mówi dr Michał Szanecki.

Hiperpoprawny model i odkrywanie tajemnic kosmosu

Naukowcy skupiają się teraz na odbiciu promieniowania od powierzchni gwiazdy neutronowej. Pozwala to na bardzo dokładne określenie zarówno istotnych parametrów układu, takich jak prędkość rotacji gwiazdy, jej promień, jonizacja, jak i składu atomowego takiej struktury.

– Dzięki temu możemy zbadać, czy rzeczywiście to, co według naszych przypuszczeń jest odpowiedzialne za generowanie tego promieniowania, właśnie tym jest, czy też nasz kierunek myślenia wymaga modyfikacji. To doprowadzi do lepszego zrozumienia całości i w rezultacie przybliży nas do określenia ostatecznego równania stanu materii neutronowej, a w efekcie do dalszego odkrywania tego, co jeszcze niezbadane w kosmosie – kontynuuje dr Michał Szanecki.

Następne wyniki są obiecujące. Naukowcy zakładają, że w ciągu dwóch lat trwania projektu finansowanego z wewnętrznych grantów IDUB uda im się sfinalizować całość i udostępnić światu opis oraz działanie autorskiego modelu do analizy widma promieniowania rentgenowskiego. Projekt dra Michała Szaneckiego realizowany jest w ramach konkursu Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza (IDUB). dr Michał Szanecki, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ

ZOBACZ TAKŻE:

Matematyka jest jak język smoków, w którym nie da się skłamać

WieleLiter.pl