Вчені показали симуляцію злиття чорної діри з нейтронною зорею

Вперше вчені змоделювали злиття чорної діри з нейтронною зорею та подальший процес в одній симуляції.

Про це розповідають в Товаристві ім. Макса Планка, передають OstanniPodii.com.

Використовуючи суперкомп′ютерні обчислення, вчені з Інституту гравітаційної фізики імені Макса Планка в Потсдамі та з Японії вперше показали послідовну картину: вони змоделювали повний процес зіткнення чорної діри з нейтронною зорею. У своїх дослідженнях вони розрахували процес від кінцевих орбіт перед злиттям до фази після злиття, у якій, за їхніми розрахунками, можуть статися високоенергетичні гамма-сплески.

Результати досліджень було опубліковано у журналі Physical Review D.

Минуло майже сім років з моменту першого виявлення гравітаційних хвиль. 14 вересня 2015 року детектори LIGO в США зафіксували сигнал злиття двох чорних дір з глибин космосу. З того часу було зафіксовано загалом 90 сигналів: від бінарних систем з двох чорних дір або нейтронних зірок, а також від змішаних бінарів. Якщо у злитті бере участь хоча б одна нейтронна зоря, є шанс, що цю подію спостерігатимуть не лише детектори гравітаційних хвиль, а й телескопи в електромагнітному спектрі.

Коли дві нейтронні зорі злилися у події, виявленій 17 серпня 2017 року (GW170817), близько 70 телескопів на Землі та у космосі спостерігали електромагнітні сигнали. У двох злиттях нейтронних зірок з чорними дірами, спостережуваних досі (GW200105 і GW200115), електромагнітних аналогів гравітаційних хвиль виявлено не було. Але коли за допомогою більш чутливих детекторів буде виміряно більше таких подій, дослідники очікують, що електромагнітні хвилі будуть виявлені також тут. Під час та після злиття матерія викидається із системи та генерує електромагнітне випромінювання. Це, ймовірно, також призводить до коротких гамма-сплесків, що спостерігаються космічними телескопами.

Для свого дослідження вчені вибрали дві різні модельні системи, що складаються з обертової чорної діри та нейтронної зорі. Маси чорної діри були встановлені на 5,4 та 8,1 сонячних мас відповідно, а маса нейтронної зорі – на 1,35 сонячних мас. Ці параметри були обрані таким чином, щоб можна було очікувати, що нейтронна зоря буде розірвана на частини приливними силами.

"Ми отримали уявлення про процес, який триває одну-дві секунди - звучить коротко, але насправді за цей час відбувається дуже багато: від кінцевих орбіт і руйнування нейтронної зорі приливними силами, викиду матерії, до формування акреційного диска навколо нарощуваної чорної діри та подальшого викиду матерії у джеті", – каже Масару Шибата, директор кафедри обчислювальної релятивістської астрофізики Інституту гравітаційної фізики імені Макса Планка. "Цей високоенергетичний джет, ймовірно, також є причиною коротких гамма-сплесків, походження яких досі залишається загадковим. Результати моделювання також показують, що викинута матерія має синтезувати важкі елементи, такі як золото та платина".

Новини за подібною темою:

		У нашій галактиці знайдено наймасивнішу чорну діру зоряної маси
		Астрономи виявили крихітну чорну діру, яка неодноразово пробиває газовий диск більшої чорної діри
		Надмасивні чорні діри ненадовго прокидаються з глибокого сну завдяки подрібненим ними зорям

Чисельна симуляція злиття чорної діри та нейтронної зорі: У лівій частині симуляції показаний профіль щільності (синій та зелений контури) з лініями магнітного поля (рожеві криві), що пронизують чорну діру, незв′язану матерію (білий колір) та її швидкість (зелені стрілки). Справа показана напруженість магнітного поля (пурпуровий колір) та лінії магнітного поля (світло-блакитні криві). Credit: Max Planck Society

Що відбувається під час та після злиття?

Симуляції показують, що у процесі злиття нейтронна зоря розривається на частини під впливом приливних сил. Близько 80% матерії нейтронної зорі падає у чорну діру протягом кількох мілісекунд, збільшуючи її масу приблизно на одну сонячну масу. Наступні приблизно 10 мілісекунд матерія нейтронної зорі формує одноруку спіральну структуру. Частина матерії у спіралі викидається із системи, а решта (0,2-0,3 сонячної маси) утворює акреційний диск навколо чорної діри. Коли акреційний диск падає на чорну діру після злиття, це викликає сфокусований, схожий на джет потік електромагнітного випромінювання, який може виробити короткий гамма-сплеск.

Секундні симуляції

Кластерному комп′ютеру "Сакура" кафедри потрібно близько 2 місяців, щоб розв′язати рівняння Ейнштейна для процесу, що займає близько двох секунд. "Такі симуляції по загальній відносності займають дуже багато часу. Тому дослідницькі групи по всьому світу досі фокусувалися лише на коротких симуляціях", – пояснює доктор Кента Кіучі, керівник групи на кафедрі Шибата, який розробив код. "На відміну від цього, наскрізна симуляція, така, як та, що ми зараз провели вперше, дає самоузгоджену картину всього процесу для заданих початкових умов бінарів, які визначаються один раз на початку".

Понад те, лише з допомогою таких тривалих симуляцій дослідники можуть вивчити механізм генерації коротких гамма-сплесків, які зазвичай тривають одну-дві секунди.

Шибат і вчені з його кафедри вже працюють над аналогічними, але ще складнішими чисельними симуляціями для послідовного моделювання зіткнення двох нейтронних зірок і фази після злиття.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Чорні діри
• Нейтронні зорі