Как при слиянии нейтронных звезд образуются черные дыры
Слияние нейтронных звезд является отличной мишенью для астрономии с использованием нескольких мессенджеров. Этот современный и все еще очень молодой метод астрофизики координирует наблюдения различных сигналов от одного и того же астрофизического источника. Когда две нейтронные звезды сталкиваются, они испускают гравитационные волны, нейтрино и излучение во всем электромагнитном спектре. Чтобы обнаружить их, исследователям необходимо добавить детекторы гравитационных волн и нейтринные телескопы к обычным телескопам, которые улавливают свет. Точные модели и прогнозы ожидаемых сигналов необходимы для координации работы этих обсерваторий, которые очень различаются по своей природе.
"Предсказать сигналы с несколькими мессенджерами при слиянии двойных нейтронных звезд на основе первых принципов чрезвычайно сложно. Теперь нам удалось сделать именно это", - говорит Кота Хаяси, научный сотрудник отдела вычислительной релятивистской астрофизики Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) в Потсдамском научном парке. "Используя суперкомпьютер Fugaku в Японии, мы выполнили самое длительное и сложное на сегодняшний день моделирование слияния двойной нейтронной звезды".
Моделирование длилось 1,5 секунды в реальном времени, на его выполнение ушло 130 миллионов процессорных часов, и в любой момент времени было занято от 20 000 до 80 000 процессоров. Она включает в себя эффекты общей теории относительности Эйнштейна, излучение нейтрино и взаимодействие сильных магнитных полей с веществом высокой плотности внутри сливающихся нейтронных звезд.
Моделирование начинается с очень небольшого числа предположений — нейтронные звезды с сильными магнитными полями вращаются вокруг друг друга — и с течением времени двойная звезда самосогласованно развивается на основе базовых физических принципов.
"Наше новое моделирование прослеживает всю эволюцию бинарной системы: вдох, слияние и фазу после слияния, включая образование струи. Оно впервые дает полную картину всего процесса и, следовательно, ценную информацию для будущих наблюдений за подобными событиями", - объясняет Хаяси.
Первоначально две нейтронные звезды (смоделированные с массой, в 1,25 и 1,65 раза превышающей массу нашего Солнца) обращаются вокруг друг друга пять раз. Во время этой фазы вращения они падают навстречу друг другу, поскольку теряют орбитальную энергию, которая излучается в виде гравитационных волн. Из-за высокой общей массы остаток от слияния быстро коллапсирует в черную дыру. Моделирование предсказывает гравитационно-волновой сигнал, первый из наблюдаемых сигналов с несколькими мессенджерами.
После слияния вокруг оставшейся черной дыры образуется диск из вещества. В диске магнитное поле усиливается за счет изгиба силовых линий и динамо-эффектов. Взаимодействие с быстрым вращением черной дыры еще больше усиливает магнитное поле. Это создает отток энергии вдоль оси вращения черной дыры.
"Мы думаем, что этот поток энергии вдоль оси черной дыры, движимый магнитными полями, приводит в действие гамма-всплеск", - говорит Масару Сибата, директор департамента вычислительной релятивистской астрофизики. "Это согласуется с тем, что мы знаем из предыдущих наблюдений, и дает дополнительное представление о внутреннем механизме слияния нейтронных звезд".
Команда далее использует свое моделирование для получения ожидаемого излучения нейтрино при слиянии двойных нейтронных звезд.
"То, что мы узнали о формировании реактивных струй и динамике магнитного поля, имеет решающее значение для нашей интерпретации и понимания процессов слияния нейтронных звезд и связанных с ними аналогов", - объясняет Сибата. Моделирование дает информацию о том, сколько вещества выбрасывается в межзвездную среду, и, таким образом, позволяет предсказать килоновую звезду. Это светящееся облако газа и пыли, богатое тяжелыми элементами.
Когда первое столкновение двух нейтронных звезд 17 августа 2017 года было обнаружено и отслеживалось детекторами гравитационных волн, а затем и различными другими телескопами, исследователи обнаружили, в частности, такие элементы, как золото, которые тяжелее железа. Несмотря на то, что физики-теоретики подозревали, что килоновые звезды производят эти особенно тяжелые элементы, эта теория была впервые подтверждена в 2017 году. Только железо и более легкие элементы могут образовываться в недрах звезд.
