Слияние двойной нейтронной звезды образовало черную дыру
Слияния двойных нейтронных звезд, космические столкновения между двумя очень плотными остатками звезд, состоящими преимущественно из нейтронов, были темой многочисленных астрофизических исследований из-за их увлекательной физики и возможных космологических последствий. Большинство предыдущих исследований, направленных на моделирование и лучшее понимание этих событий, основывались на вычислительных методах, разработанных для решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна в экстремальных условиях, подобных тем, которые могут возникнуть при слиянии нейтронных звезд.
Исследователи из Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна), Института теоретической физики Юкавы, Университета Тиба и Университета Тохо недавно провели самое продолжительное на сегодняшний день моделирование слияния двойных нейтронных звезд, используя систему моделирования взаимодействий между магнитными полями, веществом высокой плотности и нейтрино, известную как основы магнитной гидродинамики (МГД) нейтринного излучения.
Их моделирование, описанное в Physical Review Letters, показывает появление в результате слияния струи с преобладанием магнитного поля, за которой следует коллапс двойной нейтронной звездной системы в черную дыру.
"В 2019 году детекторы гравитационных волн зафиксировали событие, возникшее в результате слияния двойной нейтронной звезды, которая сразу после слияния коллапсировала в черную дыру", - сказал Кота Хаяси, первый автор статьи Phys.org. "Эта работа направлена на то, чтобы прояснить динамику слияния и пост-слияния в случае такого быстро завершающегося слияния и предсказать сигналы, связанные с несколькими мессенджерами (гравитационные волны, электромагнитные излучения, нейтринные излучения) в результате прогнозируемого события".
Слияние, смоделированное Хаяси и его коллегами, происходит между двумя нейтронными звездами разной массы, одна из которых имеет массу 1,25, а другая - 1,65 солнечной. Их моделирование основывалось на так называемом уравнении состояния SFHo, математической модели, которая описывает, как вещество ведет себя в экстремальных условиях (например, при экстремальных температурах, плотностях и давлениях), например, внутри нейтронных звезд.
"Мы провели моделирование, которое включает эволюцию гравитационного поля, нейтринного излучения, магнитного поля и гидродинамики", - пояснил Хаяси. "Все эти эффекты играют решающую роль в системе. Мы довели систему до рекордных 1,5 секунд реального времени, используя японский суперкомпьютер Fugaku".
Исследователи заметили, что после слияния система двойных нейтронных звезд, которую они смоделировали, быстро превратилась в черную дыру, окруженную турбулентным аккреционным диском - вращающейся дискообразной структурой. Поскольку он приводится в движение магнитовращательной нестабильностью, этот диск способствует выбросу массы и создает так называемый поток Пойнтинга (то есть отток энергии, переносимой электромагнитными полями). Кульминацией этого стало появление магнитно-управляемой струи со светимостью, эквивалентной примерно 10^49 эрг/с, вдоль оси вращения черной дыры.
"Это первая работа, в которой обнаружен запуск реактивной струи с магнитным приводом в результате слияния двойной нейтронной звезды, которая сразу после слияния коллапсировала в черную дыру", - сказал Хаяси.
"Это показывает, что такая система может вызвать гамма-всплеск, самый мощный взрыв во Вселенной. Мы выяснили, что магнитное поле, которое приводит в движение струю, генерируется в аккреционном диске после слияния с помощью механизма, называемого динамо".
Моделирование, проведенное Хаяси и его коллегами, проливает новый свет на сложную физику слияния двойных нейтронных звезд, показывая, что когда за этими слияниями следует образование черных дыр, они также могут привести к появлению струи, в которой доминирует магнитное поле. В будущем это могло бы помочь усовершенствовать существующие астрофизические теории, потенциально связав модели слияния нейтронных звезд с моделями, описывающими возникновение гамма-всплесков (то есть кратковременных взрывов высокоэнергетического излучения с очень короткими длинами волн).
"Это исследование в основном было сосредоточено только на динамике слияния, выбросе массы и запуске реактивной струи", - добавил Хаяси. "Для интерпретации прогнозируемых наблюдений необходимы дальнейшие детальные исследования, направленные на изучение электромагнитных излучений на основе этого моделирования.
"Более того, ускорение струи, которое составляет более 99,9% от скорости света, вытекает из наблюдения гамма-всплесков и не учитывается в текущем моделировании. Чтобы полностью понять природу гамма-всплеска, необходимы дальнейшие исследования, направленные на выяснение процесса ускорения".
