Астрономы, изучающие архивные наблюдения за мощными взрывами, называемыми короткими гамма-всплесками (GRB), обнаружили световые узоры, указывающие на кратковременное существование сверхтяжелой нейтронной звезды незадолго до того, как она превратилась в черную дыру. Этот мимолетный массивный объект, вероятно, образовался в результате столкновения двух нейтронных звезд. «Мы искали эти сигналы в 700 коротких гамма-всплесках, обнаруженных с помощью обсерватории Нила Герелса Свифт НАСА, космического гамма-телескопа Ферми и гамма-обсерватории Комптона», — объяснила Сесилия Чиренти, исследователь из Университета Мэриленда, Колледж-Парк (UMCP). и Центр космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, которые представили результаты на 241-м собрании Американского астрономического общества в Сиэтле. «Мы обнаружили эти гамма-структуры в двух всплесках, наблюдавшихся Комптоном в начале 1990-х годов».
Статья с описанием результатов под руководством Чиренти была опубликована в понедельник, 9 января, в научном журнале Nature. Нейтронная звезда образуется, когда в ядре массивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует. Это создает ударную волну, которая уносит остальную часть звезды во взрыве сверхновой. Нейтронные звезды обычно упаковывают больше массы, чем наше Солнце, в шар размером с город, но при достижении определенной массы они должны коллапсировать в черные дыры. Как данные Комптона, так и компьютерное моделирование показали, что меганейтронные звезды перевешивают чашу весов на 20% больше, чем самая массивная, точно измеренная известная нейтронная звезда, получившая название J0740+6620, которая весит почти в 2,1 раза больше массы Солнца. Сверхтяжелые нейтронные звезды также почти в два раза больше типичных нейтронных звезд или примерно в два раза длиннее острова Манхэттен.
Мега нейтронные звезды вращаются почти 78 000 раз в минуту, что почти вдвое превышает скорость J1748–2446ad, самого быстрого пульсара в истории наблюдений. Это быстрое вращение ненадолго удерживает объекты от дальнейшего коллапса, позволяя им существовать всего несколько десятых секунды, после чего они формируют черную дыру быстрее, чем мгновение ока. «Мы знаем, что короткие гамма-всплески образуются при столкновении нейтронных звезд на орбите, и мы знаем, что они в конечном итоге коллапсируют в черную дыру, но точная последовательность событий не совсем понятна», — сказал Коул Миллер, профессор астрономии в UMCP и соавтор. -автор статьи. «В какой-то момент зарождающаяся черная дыра извергается струей быстро движущихся частиц, которая испускает интенсивную вспышку гамма-лучей, форму света с самой высокой энергией, и мы хотим узнать больше о том, как это развивается».
Короткие гамма-всплески обычно сияют менее двух секунд, но высвобождают энергию, сравнимую с той, которую выделяют все звезды в нашей галактике в течение года. Их можно обнаружить на расстоянии более миллиарда световых лет. Слияние нейтронных звезд также производит гравитационные волны, рябь в пространстве-времени, которые могут быть обнаружены растущим числом наземных обсерваторий. Компьютерное моделирование этих слияний показывает, что гравитационные волны демонстрируют внезапный скачок частоты, превышающий 1000 герц, по мере слияния нейтронных звезд. Эти сигналы слишком быстрые и слабые, чтобы их могли обнаружить существующие гравитационно-волновые обсерватории. Но Чиренти и ее команда пришли к выводу, что подобные сигналы могут появляться в гамма-излучении коротких гамма-всплесков.
Астрономы называют эти сигналы квазипериодическими колебаниями, или сокращенно QPO. В отличие, скажем, от ровного звона камертона, QPO могут состоять из нескольких близких частот, меняющихся или рассеивающихся во времени. Как гамма-лучи, так и гравитационно-волновые QPO возникают в водовороте вращающейся материи, когда две нейтронные звезды сливаются. Хотя во вспышках Свифта и Ферми не материализовались QPO гамма-излучения, два коротких гамма-всплеска, зарегистрированные комптоновским экспериментом по вспышкам и переходным источникам (BATSE) 11 июля 1991 г. и 1 ноября 1993 г., отвечают всем требованиям.
Большая площадь прибора BATSE дала ему преимущество в обнаружении этих слабых узоров — контрольного мерцания, которое выявляло присутствие меганейтронных звезд. Команда оценивает общую вероятность того, что эти сигналы возникнут случайно, менее чем 1 к 3 миллионам. «Эти результаты очень важны, поскольку они закладывают основу для будущих измерений гипермассивных нейтронных звезд с помощью гравитационно-волновых обсерваторий», — сказала Крисса Кувелиоту, заведующая кафедрой физики Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, которая не участвовала в работе.
К 2030-м годам детекторы гравитационных волн будут чувствительны к частотам в килогерцы, что позволит по-новому взглянуть на короткую жизнь сверхразмерных нейтронных звезд. До тех пор чувствительные гамма-наблюдения и компьютерное моделирование остаются единственными доступными инструментами для их изучения. Прибор Комптона BATSE был разработан в Центре космических полетов НАСА им. Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, и предоставил первое убедительное доказательство того, что гамма-всплески происходили далеко за пределами нашей галактики. Проработав почти девять лет, Комптонская гамма-обсерватория была выведена с орбиты 4 июня 2000 г. и разрушена при входе в атмосферу Земли. Годдард руководит миссиями Swift и Fermi.
