Минулого року дослідники Північно-Західного університету повідомили про нові спостережні докази того, що довгі спалахи гамма-випромінювання (GRB) можуть виникнути в результаті злиття нейтронної зірки з іншим компактним об’єктом (або іншою нейтронною зіркою, або чорною дірою) — відкриття, яке раніше вважалося неможливо.
Тепер інша північно-західна команда пропонує потенційне пояснення того, що викликало безпрецедентний і неймовірно яскравий спалах світла. Дослідження «Великомасштабна еволюція секундних релятивістських струменів від злиття чорних дір і нейтронних зірок» було опубліковано 31 серпня в Astrophysical Journal.
Після розробки першого чисельного моделювання, яке слідкує за еволюцією струменя під час злиття чорної діри та нейтронної зірки на великі відстані, астрофізики виявили, що чорна діра після злиття може запускати струмені матеріалу з поглиненої нейтронної зірки.
Але ключовими інгредієнтами є маса бурхливого виру газу (або акреційного диска), що оточує чорну діру, і сила магнітного поля диска.
У масивних дисках, коли магнітне поле є сильним, чорна діра запускає короткочасний струмінь, який є набагато яскравішим, ніж будь-коли спостережене. Проте, коли масивний диск має слабше магнітне поле, чорна діра запускає струмінь із такою ж яскравістю та довгою тривалістю, що й таємничий GRB (названий GRB211211A), помічений у 2021 році та зареєстрований у 2022 році.
Нове відкриття не тільки допомагає пояснити походження довгих гамма-всплесків, але й дає розуміння природи та фізики чорних дір, їхніх магнітних полів та акреційних дисків.
«Поки що ніхто інший не розробив чисельних робіт чи моделювання, які послідовно слідують за струменем від злиття компактного об’єкта до формування струменя та його великомасштабної еволюції», — сказав Оре Готтліб з Northwestern, який керував роботою. . «Мотивацією для нашої роботи було зробити це вперше. І те, що ми знайшли, співпало зі спостереженнями GRB211211A».
«Злиття нейтронних зірок — це захоплююче явище з кількома месенджерами, результатом якого є як гравітаційні, так і електромагнітні хвилі», — сказав Данат Ісса з Northwestern, який спільно з Готлібом керував роботою. «Однак симуляція цих подій є проблемою через величезні просторові та часові масштаби, а також різноманітність фізики, що діє на цих масштабах. Вперше нам вдалося комплексно змоделювати всю послідовність процесу злиття нейтронних зірок.»
Під час дослідження Готтліб був співробітником CIERA в Північно-західному центрі міждисциплінарних досліджень і досліджень в астрофізиці (CIERA); зараз він є науковим співробітником Flatiron у Центрі обчислювальної астрофізики Інституту Flatiron. Ісса є аспірантом факультету фізики та астрономії Північно-Західного коледжу мистецтв і наук Вайнберга та членом CIERA. Іссу консультує співавтор статті Олександр Чеховський, доцент кафедри фізики та астрономії Вайнберга та член CIERA.
Цікава кілонова
Коли астрономи вперше помітили GRB211211A у грудні 2021 року, вони спочатку припустили, що 50-секундна подія сталася внаслідок колапсу масивної зірки. Але, досліджуючи пізнє випромінювання довгого гамма-всплеску, яке називається післясвітінням, вони виявили докази існування кілонової — рідкісної події, яка відбувається лише після злиття нейтронної зірки з іншим компактним об’єктом.
Це відкриття (опубліковане в журналі Nature у грудні 2022 року) перевернуло давно усталену та давно прийняту думку про те, що лише наднові можуть генерувати довгі гамма-всплески.
«GRB 211211A відновив інтерес до походження довготривалих гамма-всплесків, які не пов’язані з масивними зірками, але, ймовірно, походять від компактного подвійного злиття», — сказав Готтліб.
Від попереднього злиття до довгого GRB
Щоб детальніше розкрити, що відбувається під час подій компактного злиття, Готліб, Ісса та їхні співробітники намагалися змоделювати весь процес — від перед злиттям і до кінця події GRB, коли струмені, що створюють GRB, вимикаються. Оскільки це неймовірно дорогий обчислювальний подвиг, весь сценарій ніколи раніше не моделювався. Готліб і Ісса подолали цю проблему, розділивши сценарій на дві симуляції.
Спочатку дослідники змоделювали етап перед злиттям. Потім вони взяли результат першого моделювання та підключили його до моделювання після злиття.
«Оскільки простір-час, який використовується двома симуляціями, відрізняється, це переналаштування виявилося не таким простим, як ми сподівалися, але Данат це зрозумів», — сказав Чеховський.
«Поєднання двох симуляцій дозволило нам зробити обчислення набагато менш дорогими», — сказав Готліб. «Фізика дуже складна на стадії перед злиттям, тому що є два об’єкти. Після попереднього злиття вона стає набагато простішою, оскільки є лише одна чорна діра».
Під час симуляції компактні об’єкти спочатку злилися, щоб створити більш масивну чорну діру. Сильне тяжіння чорної діри притягнуло до себе знищені уламки нейтронної зірки. Перш ніж уламки впали в чорну діру, частина уламків спочатку закрутилася навколо чорної діри у вигляді акреційного диска. У досліджуваній конфігурації диск, що з’явився, був особливо масивним і становив одну десяту маси нашого Сонця. Потім, коли маса впала в чорну діру з диска, вона змусила чорну діру запустити струмінь, який розігнався до швидкості, близької до світла. Джерело