|
Запутанные магнитосферы сливающихся нейтронных звезд
|
|
|
|
Новое моделирование, выполненное на суперкомпьютере НАСА, дает ученым наиболее полное представление о водовороте взаимодействующих магнитных структур вокруг нейтронных звезд размером с город в моменты перед их падением. Команда ученых выявила потенциальные сигналы, испускаемые в последние мгновения жизни звезд, которые могут быть обнаружены будущими обсерваториями.
|
|
|
|
"Непосредственно перед столкновением нейтронных звезд сильно намагниченные, заполненные плазмой области вокруг них, называемые магнитосферами, начинают сильно взаимодействовать. Мы изучили несколько последних орбит перед слиянием, когда вплетенные магнитные поля претерпевают быстрые и драматические изменения, и смоделировали потенциально наблюдаемые сигналы высокой энергии", - сказал ведущий ученый Димитриос Скиатас, аспирант Университета Патр, Греция, который проводит исследования для Исследовательской ассоциации Юго-Восточных университетов в Вашингтоне. в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Статья, описывающая результаты, опубликована в The Astrophysical Journal.
|
|
|
|
Слияние нейтронных звезд приводит к возникновению особого типа гамма-всплесков - самого мощного класса взрывов в космосе. Большинство исследований, естественно, были сосредоточены на впечатляющих слияниях и их последствиях, в результате которых образуются струи, достигающие околосветовой скорости и испускающие гамма-лучи, рябь в пространстве-времени, называемая гравитационными волнами, и так называемый килоновый взрыв, при котором образуются тяжелые элементы, такие как золото и платина. Слияние, наблюдавшееся в 2017 году, наглядно подтвердило давно предсказанную связь между этими явлениями - и остается единственным событием, наблюдавшимся до сих пор, в котором проявились все три фактора.
|
|
|
|
|
|
|
Нейтронные звезды обладают большей массой, чем наше Солнце, и образуют шар диаметром около 15 миль (24 километра), что примерно соответствует длине острова Манхэттен в Нью-Йорке. Они образуются, когда в ядре массивной звезды заканчивается топливо и оно коллапсирует, разрушая ядро и вызывая взрыв сверхновой, который уничтожает остальную часть звезды. Коллапс также ускоряет вращение ядра и усиливает его магнитное поле.
|
|
|
|
Новорожденные нейтронные звезды могут вращаться десятки раз в секунду и обладать одними из самых сильных из известных магнитных полей, которые в 10 триллионов раз сильнее, чем магнит на холодильнике. Этого достаточно, чтобы непосредственно преобразовывать гамма-лучи в электроны и позитроны и быстро разгонять их до энергий, намного превосходящих все, что возможно достичь в ускорителях элементарных частиц на Земле.
|
|
|
|
"В наших симуляциях магнитосфера ведет себя как магнитная цепь, которая постоянно перестраивается по мере движения звезд по орбите. Силовые линии соединяются, разрываются и снова соединяются, в то время как потоки плазмы движутся почти со скоростью света, а быстро меняющиеся поля могут ускорять частицы", - сказал соавтор Константинос Калапотаракос из НАСА Годдард. "Отслеживание этой нелинейной эволюции с высоким разрешением - именно то, для чего нам нужен суперкомпьютер!"
|
|
|
|
Используя суперкомпьютер Pleiades в исследовательском центре НАСА имени Эймса в Калифорнийской Кремниевой долине, команда ученых провела более 100 симуляций системы из двух вращающихся нейтронных звезд, каждая из которых имеет массу 1,4 солнечных. Цель состояла в том, чтобы изучить, как различные конфигурации магнитного поля влияют на то, как электромагнитная энергия — свет во всех его формах — покидает двойную систему. Большинство симуляций описывают последние 7,7 миллисекунд перед слиянием, что позволяет детально изучить конечные орбиты.
|
|
|
|
"Наша работа показывает, что свет, излучаемый этими системами, сильно различается по яркости и распределяется неравномерно, поэтому точка зрения удаленного наблюдателя на слияние имеет большое значение", - сказал соавтор Зоравар Вадиасингх из Университета Мэриленда, Колледж-Парк и НАСА Годдард. "Сигналы также становятся намного сильнее по мере того, как звезды становятся все ближе и ближе, что зависит от относительной магнитной ориентации нейтронных звезд".
|
|
|
|
Линии магнитного поля, прикрепленные к поверхности каждой звезды, перемещаются за ними по мере движения звезд по орбите. Линии магнитного поля могут напрямую соединять одну звезду с другой по мере уменьшения орбит, в то время как линии, уже соединяющие звезды, могут разрываться и изменяться в конфигурации.
|
|
|
|
Используя моделирование, команда также рассчитала электромагнитные силы, действующие на поверхности звезд. Хотя влияние гравитации преобладает, эти магнитные напряжения могут накапливаться в сильно намагниченных системах. Будущие модели могут помочь выявить, как магнитные взаимодействия влияют на последние моменты слияния.
|
|
|
|
"Такое поведение могло бы отразиться на сигналах гравитационных волн, которые можно было бы обнаружить в установках следующего поколения. Одна из ценностей подобных исследований заключается в том, что они помогают нам понять, что будущие обсерватории смогут увидеть и что им следует искать как в гравитационных волнах, так и в свете", - сказал Демосфен Казанас из Goddard.
|
|
|
|
Затем команда, в которую входят Элис Хардинг из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико и Пол Колбек из Вашингтонского университета в Сиэтле, использовала смоделированные поля, чтобы определить, где будет происходить излучение с наибольшей энергией и как оно будет распространяться.
|
|
|
|
В хаотичной плазме, окружающей нейтронные звезды, частицы превращаются в излучение и наоборот. Быстрые электроны испускают гамма-лучи, форму света с самой высокой энергией, в результате процесса, называемого излучением кривизны. Фотон гамма-излучения может взаимодействовать с сильным магнитным полем таким образом, что превращается в пару частиц - электрон и позитрон.
|
|
|
|
В ходе исследования были обнаружены области, испускающие гамма-лучи с энергией, в триллионы раз превышающей энергию видимого света, но, вероятно, ни одно из них не могло вырваться наружу. Гамма-лучи с самой высокой энергией быстро превращались в частицы в присутствии мощных магнитных полей. Однако гамма-лучи с более низкими энергиями, энергия которых в миллионы раз превышает энергию видимого света, могут выходить из системы слияния, и образующиеся частицы могут также излучать еще более низкие энергии, включая рентгеновские лучи.
|
|
|
|
Это открытие позволяет предположить, что будущие космические телескопы гамма-излучения средней энергии, особенно с широким полем зрения, могут обнаруживать сигналы, возникающие в преддверии слияния, если гравитационно-волновые обсерватории смогут своевременно оповещать о нем и определять местоположение на небе. Сегодня наземные гравитационно-волновые обсерватории, такие как LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в Луизиане и Вашингтоне и Virgo в Италии, обнаруживают слияния нейтронных звезд на частотах от 10 до 1000 Герц и могут обеспечить быстрое отслеживание электромагнитных процессов.
|
|
|
|
ЕКА (Европейское космическое агентство) и НАСА сотрудничают в создании космической гравитационно-волновой обсерватории LISA (лазерная интерферометрическая космическая антенна), запуск которой запланирован на 2030-е годы. LISA будет наблюдать двойные нейтронные звезды на гораздо более ранних этапах их эволюции при гораздо более низких частотах гравитационных волн, чем наземные обсерватории, как правило, задолго до их слияния.
|
|
|
|
Будущие гравитационно-волновые обсерватории смогут предупреждать астрономов о системах, находящихся на грани слияния. Как только такие системы будут обнаружены, широкоугольные гамма- и рентгеновские обсерватории смогут начать поиск излучения, предшествующего слиянию, о чем свидетельствуют результаты моделирования.
|
|
|
|
Обычное наблюдение за подобными событиями с использованием двух различных "посредников" — света и гравитационных волн — обеспечит значительный скачок вперед в понимании этого класса гамма-всплесков, и исследователи НАСА помогают в этом.
|
|
|
|
Источник
|
