В прошлом году исследователи Северо-Западного университета сообщили о новых наблюдательных доказательствах того, что длинные гамма-всплески (GRB) могут быть результатом слияния нейтронной звезды с другим компактным объектом (либо другой нейтронной звездой, либо черной дырой).

Теперь другая команда Северо-Запада предлагает потенциальное объяснение того, что вызвало беспрецедентную и невероятно яркую вспышку света. Исследование «Крупномасштабная эволюция релятивистских струй длительностью в несколько секунд в результате слияния черных дыр и нейтронных звезд» было опубликовано 31 августа в Astrophysical Journal.

После разработки первого численного моделирования , которое отслеживает эволюцию струи при слиянии черной дыры и нейтронной звезды на большие расстояния, астрофизики обнаружили, что черная дыра после слияния может запускать струи материала из проглоченной нейтронной звезды.

Но ключевыми ингредиентами являются масса сильного газового водоворота (или аккреционного диска), окружающего черную дыру, и сила магнитного поля диска.

В массивных дисках, когда магнитное поле сильное, черная дыра запускает короткую струю, которая намного ярче, чем все, что когда-либо наблюдалось в наблюдениях. Однако когда массивный диск имеет более слабое магнитное поле, черная дыра запускает струю с той же яркостью и продолжительностью, что и загадочный GRB (получивший название GRB211211A), обнаруженный в 2021 году и о котором сообщалось в 2022 году.

Новое открытие не только помогает объяснить происхождение длинных гамма-всплесков, но также дает понимание природы и физики черных дыр , их магнитных полей и аккреционных дисков.

«До сих пор никто не разработал никаких численных работ или симуляций, которые последовательно прослеживали бы струю от слияния компактных объектов до формирования струи и ее крупномасштабной эволюции», — сказал Ор Готлиб из Northwestern, который был одним из руководителей работы. «Мотивацией нашей работы было сделать это впервые. И то, что мы обнаружили, совпало с наблюдениями GRB211211A».

«Слияния нейтронных звезд — это захватывающий феномен с множеством посланий, который приводит как к гравитационным, так и к электромагнитным волнам», — сказал Данат Исса из Northwestern, который руководил работой вместе с Готлибом. «Однако моделирование этих событий представляет собой проблему из-за огромного разделения пространственных и временных масштабов, а также разнообразия физики, действующей в этих масштабах. Впервые нам удалось всесторонне смоделировать всю последовательность процесса слияния нейтронных звезд. .»

Во время исследования Готлиб был научным сотрудником CIERA в Северо-западном Центре междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA); сейчас он является научным сотрудником Флэтайрона в Центре вычислительной астрофизики Института Флэтайрон. Исса — аспирант кафедры физики и астрономии Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Западного университета и член CIERA. Консультатором Иссы является соавтор статьи Александр Чеховской, доцент кафедры физики и астрономии Вайнбергского университета и член CIERA.

Любопытная килонова

Когда астрономы впервые обнаружили GRB211211A в декабре 2021 года, они первоначально предположили, что 50-секундное событие было вызвано коллапсом массивной звезды. Но, исследуя позднее излучение длинного гамма-всплеска, называемое послесвечением, они обнаружили свидетельства существования килоновой звезды — редкого события, которое происходит только после слияния нейтронной звезды с другим компактным объектом.

Это открытие (опубликованное в журнале Nature в декабре 2022 года) опровергло давно устоявшееся и давно общепринятое мнение о том, что только сверхновые могут генерировать длинные гамма-всплески.

«GRB 211211A возобновил интерес к происхождению длительных гамма-всплесков, которые не связаны с массивными звездами, но, вероятно, возникают в результате слияния компактных двойных звезд», — сказал Готлиб.

От периода до слияния к длинному GRB

Чтобы дополнительно выяснить, что происходит во время событий компактного слияния, Готлиб, Исса и их коллеги попытались смоделировать весь процесс — от момента до слияния до конца события GRB, когда генерирующие GRB струи отключаются. Поскольку это невероятно затратная вычислительная задача, весь сценарий никогда раньше не моделировался. Готлиб и Исса преодолели эту проблему, разделив сценарий на две симуляции.

Сначала исследователи смоделировали этап, предшествующий слиянию. Затем они взяли результаты первой симуляции и включили их в симуляцию после слияния.

«Поскольку пространство-время, используемое в двух симуляциях, различно, это преобразование оказалось не таким простым, как мы надеялись, но Данат разобрался в этом», — сказал Чеховской.

«Последовательное соединение двух моделей позволило нам сделать вычисления намного менее затратными», — сказал Готлиб. «Физика очень сложна на стадии до слияния, потому что существует два объекта. После предварительного слияния все становится намного проще, потому что существует только одна черная дыра».

В симуляции компактные объекты сначала объединились, образовав более массивную черную дыру. Сильная гравитация черной дыры притянула к себе обломки ныне разрушенной нейтронной звезды. Прежде чем обломки упали в черную дыру, некоторые из обломков сначала вращались вокруг черной дыры в виде аккреционного диска . В изученной конфигурации формирующийся диск был особенно массивным: его масса составляла одну десятую массы нашего Солнца. Затем, когда масса упала в черную дыру с диска, она заставила черную дыру запустить реактивный самолет, который разогнался до скорости, близкой к световой.

Свойства диска имеют значение

Сюрприз возник, когда исследователи отрегулировали силу магнитного поля массивного диска. В то время как сильное магнитное поле привело к появлению короткого и невероятно яркого гамма-всплеска, слабое магнитное поле породило струю, которая соответствовала наблюдениям длинных гамма-всплесков.

«Чем сильнее магнитное поле, тем короче его время жизни», — сказал Готлиб.

«Слабые магнитные поля производят более слабые джеты, которые новообразованная черная дыра может поддерживать в течение более длительного времени. Ключевым ингредиентом здесь является массивный диск, который может поддерживать вместе со слабыми магнитными полями гамма-всплеск, соответствующий наблюдениям и сравнимый со светимостью и продолжительностью. Продолжительность GRB211211A. Хотя мы обнаружили, что эта конкретная двоичная система дает начало длинному GRB, мы также ожидаем, что другие бинарные слияния, которые производят массивные диски, приведут к аналогичному результату. Это просто вопрос массы диска после слияния».

Конечно, «длинный» в этом сценарии является относительным. GRB делятся на два класса. Всплески длительностью менее двух секунд считаются короткими. Если GRB длится две секунды или дольше, он считается длинным. Даже события такого краткого содержания по-прежнему чрезвычайно трудно смоделировать.

«Большая часть материала этого диска в конечном итоге поглощается черной дырой, причем весь процесс длится всего несколько секунд», — сказал Исса. «В этом заключается главная проблема: очень сложно уловить эволюцию этих слияний, используя моделирование на суперкомпьютерах, в течение нескольких секунд».

Далее: Нейтрино

Теперь, когда Готлиб и Исса успешно и всесторонне смоделировали всю последовательность слияния, они с нетерпением ждут продолжения обновления и улучшения своих моделей.

«Мои текущие усилия направлены на повышение физической точности моделирования», — сказал Исса. «Это предполагает включение нейтринного охлаждения, жизненно важного компонента, который потенциально может существенно повлиять на динамику процесса слияния . Кроме того, включение нейтрино служит важным шагом на пути к более точной оценке ядерного состава материала. выброшенных в результате этих слияний. С помощью этого подхода моя цель — предоставить более полную и точную картину слияний нейтронных звезд».