Новая модель проливает свет на источник гамма-всплесков
Передовые компьютерные модели в сочетании с теоретическими расчетами помогают астрономам лучше понять происхождение некоторых из самых энергичных и загадочных световых шоу во Вселенной — гамма-всплесков или гамма-всплесков. Новая объединенная модель подтверждает, что некоторые долгоживущие гамма-всплески создаются в результате космических слияний, которые порождают молодую черную дыру, окруженную гигантским диском натального материала. Ранее астрономы считали, что черные дыры, генерирующие длинные гамма-всплески, обычно образуются при коллапсе массивных звезд. Однако новая модель показывает, что они также могут возникнуть при слиянии двух плотных объектов, таких как пара нейтронных звезд (плотные мертвые остатки массивных звезд) или черная дыра и нейтронная звезда. Полученные данные объясняют недавно наблюдавшиеся длинные гамма-всплески, которые астрономы не смогли связать с коллапсирующими звездами. Создатели симуляции представили свои результаты в The Astrophysical Journal Letters.
«Наши результаты, которые связывают наблюдения с основной физикой, объединили многие неразгаданные загадки в области гамма-всплесков», — говорит Оре Готлиб, ведущий автор нового исследования и научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон (CCA) в Нью-Йорке. «Впервые мы можем посмотреть на наблюдения GRB и узнать, что произошло до образования черной дыры». GRB — одни из самых ярких и жестоких событий в космосе. С момента своего первого обнаружения в 1967 году гамма-всплески ослепляли и озадачивали астрономов. Даже десятилетия спустя точные механизмы, генерирующие мощные вспышки гамма-лучей, остаются неясными. За прошедшие годы астрономы заметили две отдельные популяции гамма-всплесков: одни длятся менее секунды, а другие — 10 секунд и более. В конечном итоге исследователи определили, что короткие гамма-всплески возникают в результате джетов, запускаемых после слияния двух компактных объектов, и что длинные гамма-всплески могут возникать, когда джеты запускаются во время коллапса массивных вращающихся звезд. Но в прошлом году два необычно длительных наблюдения GRB показали, что коллапсы гигантов не единственные, что вызывает длинные гамма-всплески.
Готлиб и его коллеги провели современное моделирование, чтобы проверить, как слияния массивных компактных объектов могут вызвать гамма-всплески. Новое моделирование заняло несколько месяцев и частично проводилось на одном из суперкомпьютеров Института Флэтайрон. Новое моделирование начинается, когда два компактных объекта находятся на близкой орбите и следуют за струями, пока они не окажутся далеко от места слияния. Такой подход позволяет исследователям делать меньше предположений о задействованной физике. Объединив моделирование с ограничениями на основе астрономических данных, ученые построили единую модель происхождения гамма-всплесков. Исследователи определили, что необычные гамма-всплески возникают после слияния двух компактных объектов. После слияния объекты создают черную дыру, окруженную большим аккреционным диском — быстро вращающимся бубликом из магнитно заряженного остаточного материала, — который может выкачивать длинные гамма-всплески. Эта информация, полученная в результате моделирования, помогает астрономам понять не только объекты, создающие эти гамма-всплески, но и то, что было до них.
«Если мы увидим длинный гамма-всплеск, подобный тем, что наблюдались в 2022 году, то теперь мы знаем, что он исходит из черной дыры с массивным диском», — говорит Готлиб. «И зная, что существует массивный диск, мы теперь можем выяснить соотношение масс двух родительских объектов, поскольку их соотношение масс связано со свойствами диска. Например, слияние нейтронных звезд с неравной массой неизбежно произвести длительный GRB». Ученые надеются использовать единую модель, чтобы определить, какие объекты создают короткие гамма-всплески. Эти всплески, как предполагает модель, могут быть вызваны черными дырами с меньшими аккреционными дисками или же они могут исходить от объекта, называемого сверхмассивной нейтронной звездой, которая представляет собой нестабильную форму звезды, которая быстро коллапсирует, образуя черную дыру, но не раньше, чем он излучает короткие гамма-всплески. Ученые надеются, что благодаря большему количеству наблюдений гамма-всплесков они смогут усовершенствовать свое моделирование и определить происхождение всех гамма-всплесков. Хотя наблюдения GRB остаются относительно редкими, астрономы планируют запечатлеть гораздо больше, когда обсерватория Веры К. Рубин начнет наблюдения в начале 2025 года. «Поскольку мы получим больше наблюдений гамма-всплесков с различной длительностью импульсов, мы сможем лучше исследовать центральные механизмы, питающие эти экстремальные явления», — говорит Готлиб.
