Во всем космосе можно найти множество звезд, которые изящно вращаются вокруг друг друга. Однако одно из самых впечатляющих сочетаний происходит между двумя вращающимися черными дырами, образовавшимися после того, как их массивные звезды-прародители взорвались в результате взрыва сверхновой. Если эти черные дыры расположены достаточно близко друг к другу, они в конечном счете столкнутся и образуют еще более массивную черную дыру.
Иногда вокруг черной дыры обращается нейтронная звезда — плотный остов звезды, также образовавшейся в результате взрыва сверхновой, но обладающей меньшей массой, чем черная дыра. Когда эти два тела в конце концов сливаются, черная дыра, как правило, поглощает нейтронную звезду целиком.
Чтобы лучше понять экстремальную физику, лежащую в основе такой ужасной гибели, исследователи из Калифорнийского технологического института используют суперкомпьютеры для моделирования столкновений черной дыры и нейтронной звезды. В одном исследовании, опубликованном в Astrophysical Journal Letters, команда под руководством Элиаса Моста, доцента кафедры теоретической астрофизики Калифорнийского технологического института, разработала самую подробную на сегодняшний день модель сильных землетрясений, которые разрушают поверхность нейтронной звезды примерно за секунду до того, как черная дыра поглотит ее.
"Кора нейтронной звезды расколется точно так же, как земля при землетрясении", - говорит Мост. "Гравитация черной дыры сначала сдвигает поверхность, вызывая землетрясения в звезде и появление трещин".
Хотя трещины в коре нейтронной звезды были предсказаны ранее, это моделирование впервые продемонстрировало, какие вспышки света астрономы могут увидеть в будущем, направляя телескопы в космосе и на земле на такое событие.
"Это выходит за рамки обоснованных моделей этого явления — это реальная симуляция, которая включает в себя все соответствующие физические процессы, происходящие, когда нейтронная звезда разбивается, как яйцо", - говорит соавтор Катерина Чациоанну, доцент физики Калифорнийского технологического института и исследователь Уильяма Х. Херта.
Во второй, более свежей статье в Astrophysical Journal Letters, опубликованной в этом году, команда использовала суперкомпьютер для моделирования того, что происходит после разрушения нейтронной звезды — короткого периода в миллисекунды, когда чудовищные ударные волны, самые мощные из предсказанных ударных волн во Вселенной, распространяются от звезды. Эти чудовищные ударные волны были только недавно предсказаны соавтором Андреем Белобородовым из Колумбийского университета. Теперь моделирование, а также результаты другого исследования, опубликованного командой в прошлом году, впервые показывают, как они формируются.
Более того, самая последняя симуляция не останавливается при образовании чудовищных ударных волн — она продолжает показывать поглощение нейтронной звезды, что затем приводит к образованию экзотического объекта, называемого пульсаром черной дыры.
Классический пульсар - это сильно намагниченная нейтронная звезда, испускающая лучи излучения, которые вращаются вокруг своей оси подобно маяку маяка. Пульсар черной дыры - это гипотетический объект, в котором черная дыра испускает магнитные ветры, которые также проносятся вокруг нее при вращении, имитируя внешний вид пульсара. Хотя ранее предполагалось существование пульсаров в виде черных дыр, это моделирование впервые показало, как такой редкий объект на самом деле мог образоваться в природе в результате столкновения нейтронной звезды и черной дыры.
"Когда нейтронная звезда погружается в черную дыру, возникают чудовищные ударные волны", - говорит Юнсу Ким, аспирант Калифорнийского технологического института, работающий с Most, и ведущий автор исследования, посвященного чудовищным ударным волнам и пульсарам черных дыр. "После того, как звезда втягивается в себя, образуются вихри, образующие пульсар черной дыры. Но черная дыра не может поддерживать свои ветры и через несколько секунд снова успокоится".
Подобно моделированию, изображающему, как раскалывается нейтронная звезда, это моделирование также предсказывает характеристики возникающих в результате вспышек, которые астрономы могли бы увидеть в телескопы. В те мимолетные моменты, когда чудовищные ударные волны вырываются наружу и образуется пульсар черной дыры, телескопы могут уловить вспышки радиоволн или комбинацию рентгеновских и гамма-лучей. Короче говоря, моделирование, проведенное Мостом и его коллегами, позволяет глубже понять физику, управляющую некоторыми из наиболее энергичных событий во Вселенной.
Волнообразное пространство и время
Когда две черные дыры сталкиваются, они генерируют не только ударные волны и вспышки света, но и другой тип излучения, известный как гравитационные волны. Эти колебания в ткани пространства и времени были впервые предсказаны Альбертом Эйнштейном более 100 лет назад. В 2015 году знаменитая LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), возглавляемая Калифорнийским технологическим институтом и Массачусетским технологическим институтом Массачусетского технологического института, впервые непосредственно обнаружила гравитационные волны, генерируемые слиянием двух черных дыр. Это достижение позже принесло трем ведущим сотрудникам коллаборации Нобелевскую премию по физике за 2017 год.
В 2017 году обсерватории LIGO и Virgo, ее европейская сестра, наблюдали столкновение другого типа: между двумя нейтронными звездами. Огненный взрыв, названный килоновой, вызвал выброс металлов, в том числе золота. В результате этого события были испущены гравитационные волны и свет. LIGO–Virgo сначала зафиксировала взрыв в гравитационных волнах, а затем уведомила об этом астрономов по всему миру, которые с помощью телескопов в космосе и на земле зафиксировали широкий диапазон электромагнитных (световых) волн, начиная от высокоэнергетических гамма-лучей и заканчивая низкоэнергетическими радиоволнами.
Неясно, приведет ли столкновение нейтронной звезды с черной дырой к подобному световому шоу, но пока ничего подобного замечено не было. Тем не менее, не исключено, что слияние нейтронной звезды и черной дыры, даже если оно не приводит к образованию облака светящегося вещества, может сопровождаться кратковременными радио– и/или другими электромагнитными сигналами непосредственно перед столкновениями и во время них. Моделирование, подобное проведенному Мостом и его коллегами, помогает астрономам определить, какие электромагнитные сигналы следует искать.
Чтобы помочь в поиске этих сигналов-предшественников, команда LIGO работает над обнаружением слияний за минуту до их возникновения, что даст астрономам больше времени для наведения своих телескопов на вспышки и поиска явных признаков надвигающейся катастрофы.
"LIGO может обнаруживать слияния еще до того, как они произойдут, потому что пара сталкивающихся объектов излучает гравитационные волны в том диапазоне частот, который обнаруживает LIGO, когда они сближаются по спирали", - говорит Чациоанну, который является частью команды LIGO. "В настоящее время мы можем обнаружить столкновения за несколько секунд до их возникновения, и мы работаем с точностью до минуты. Гравитационные волны - это одна часть головоломки, а электромагнитное излучение - другая. Мы хотим сложить кусочки головоломки воедино".
Самые современные компьютеры
Основным фактором успеха недавнего моделирования взаимодействия нейтронной звезды и черной дыры, проведенного командой, является использование суперкомпьютеров, содержащих графические процессоры (GPU). Для этих недавних исследований команда использовала суперкомпьютер Perlmutter, расположенный в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли (назван в честь астронома Сола Перлмуттера, который в 2011 году вместе с двумя другими учеными получил Нобелевскую премию по физике за открытие того, что Вселенная ускоряется).
Графические процессоры обеспечивают вычислительную мощность для видеоигр и программ искусственного интеллекта, таких как ChatGPT; в данном случае огромная параллельная вычислительная мощность графических процессоров позволила суперкомпьютеру Perlmutter справиться со сложными взаимодействиями между сближающейся нейтронной звездой и черной дырой.
"Когда вы моделируете слияние двух черных дыр, - говорит Мост, - вам нужны уравнения общей теории относительности для описания гравитационных волн. Но когда речь идет о нейтронной звезде, происходит гораздо больше физических процессов, включая сложную ядерную физику звезды и динамику плазмы вокруг нее".
Само моделирование занимает от четырех до пяти часов. Мост и его команда работали над подобными моделями около двух лет, используя суперкомпьютеры без графических процессоров, прежде чем запустить их на Perlmutter.
"Это и открыло проблему", - говорит Мост. "С графическими процессорами внезапно все заработало и оправдало наши ожидания. Раньше у нас просто не было достаточной вычислительной мощности, чтобы численно моделировать эти чрезвычайно сложные физические системы с достаточной степенью детализации".
Секреты моделирования
Первая симуляция разрушения раскрывает драматические события, которые разворачиваются по мере приближения нейтронной звезды к черной дыре-партнеру. Во-первых, гравитационные силы массивной черной дыры сдвигают поверхность мертвой звезды, вызывая ее разрушение. Нейтронные звезды окружены интенсивным магнитным полем, и когда их поверхность разрушается из-за этих так называемых приливных сил, магнитное поле колеблется.
Это приводит к возникновению магнитной ряби, называемой волнами Альфвена, названными в честь шведского физика Ханнеса Альфвена, который в 1970 году получил Нобелевскую премию по физике за свою работу по магнитной гидродинамике - теории, описывающей поведение электромагнитных полей в плазме.
"Магнитное поле можно рассматривать как струны, прикрепленные к нейтронной звезде", - говорит Мост. "Землетрясение нейтронной звезды сильно сотрясает эти струны, как удар хлыста, а затем раздается треск".
Альфвеновские волны в конечном счете превращаются во взрывную волну, которая производит всплеск радиоволн примерно за секунду до того, как нейтронная звезда будет поглощена. В будущем планируемая в Калифорнийском технологическом институте Deep Synoptic Array-2000, или DSA-2000, — система из 2000 радиоприемников, которая будет построена в пустыне Невада, — возможно, сможет улавливать эти всплески радиоволн (называемые быстрыми радиовсплесками или FRB), указывающие на гибель нейтронной звезды.
"До этого моделирования люди думали, что нейтронную звезду можно расколоть, как яйцо, но они никогда не задавались вопросом, можно ли услышать треск", - говорит Мост. "Наша работа предсказывает, что да, вы могли бы услышать или обнаружить это как радиосигнал".
Второе моделирование, проведенное командой, показывает, что происходит в дальнейшем при гибели нейтронной звезды. Когда мертвая звезда поглощается черной дырой, возникают одни из самых сильных ударных волн во Вселенной.
"Это похоже на океанскую волну", - говорит Ким. "Поначалу океан спокоен, но по мере того, как волны набегают на берег, они становятся все круче, пока, наконец, не разбиваются. В нашей симуляции мы можем видеть, как волны магнитного поля превращаются в чудовищную ударную волну".
Эти чудовищные ударные волны преобразуются во взрывные волны, которые сильнее, чем те, которые возникают при растрескивании нейтронной звезды, и они тоже будут генерировать радиосигналы. Это означает, что астрономы, наблюдающие за нейтронной звездой и черной дырой за секунду до их столкновения, могут обнаружить два радиосигнала, один за другим.
"Это означает, что столкновение нейтронной звезды с черной дырой, хотя при нем и не происходит извержения вещества, как при столкновении нейтронной звезды с нейтронной звездой, может вызвать сильные сигналы, которые могут обнаружить телескопы", - говорит Мост.
Краткое описание
Наконец, после того, как нейтронная звезда поглощается черной дырой, вторая симуляция показывает, как рождается пульсар из черной дыры.
"Если черная дыра поглощает нейтронную звезду, она также поглощает и ее магнитное поле", - объясняет Мост. "И от этого нужно избавиться. Черной дыре не нужно магнитное поле, она отталкивает его. Моделирование показывает, что он действительно делает это таким образом, что формирует состояние, похожее на пульсар".
Черная дыра, по сути, притягивает к себе нежелательное магнитное поле, и это создает магнитные ветры, которые кружат вокруг черной дыры, делая ее похожей на пульсар на короткий период, длящийся чуть менее секунды. Полученные данные показывают, что такое событие привело бы к короткому выбросу рентгеновских лучей высокой энергии и/или гамма-лучей более высокой энергии.
В будущем исследователи надеются изучить, распространяется ли эта же феноменология на другие типы двойных систем. С помощью суперкомпьютеров они стремятся разгадать удивительную физику, лежащую в основе самых катастрофических событий во Вселенной.
Среди других авторов исследования о растрескивании нейтронных звезд, озаглавленного "Нелинейная динамика волн Альфвена и предварительное излучение в результате колебаний земной коры при слиянии нейтронных звезд", - аспирант Калифорнийского технологического института Исаак Легред.
