Ученые показали симуляцию слияния черной дыры с нейтронной звездой

Впервые ученые смоделировали слияние черной дыры с нейтронной звездой и последующий процесс в одной симуляции.

Об этом рассказывают в Обществе им. Макса Планка, передают OstanniPodii.com.

Используя суперкомпьютерные вычисления, ученые из Института гравитационной физики имени Макса Планка в Потсдаме и в Японии впервые показали последовательную картину: они смоделировали полный процесс столкновения черной дыры с нейтронной звездой. В своих исследованиях они рассчитали процесс от конечных орбит перед слиянием до фазы после слияния, в которой, по их расчетам, могут произойти высокоэнергетические гамма-всплески.

Результаты исследований были опубликованы в журнале Physical Review D.

Прошло около семи лет с момента первого обнаружения гравитационных волн. 14 сентября 2015 года детекторы LIGO в США зафиксировали сигнал слияния двух черных дыр из глубин космоса. С тех пор было зафиксировано в общей сложности 90 сигналов: от бинарных систем из двух черных дыр или нейтронных звезд, а также от смешанных бинаров. Если в слиянии участвует хотя бы одна нейтронная звезда, есть шанс, что это событие будут наблюдать не только детекторы волн, но и телескопы в электромагнитном спектре.

Когда две нейтронные звезды слились в происшествии, обнаруженном 17 августа 2017 года (GW170817), около 70 телескопов на Земле и в космосе наблюдали электромагнитные сигналы. В двух слияниях нейтронных звезд с черными дырами, наблюдаемых до сих пор (GW200105 и GW200115), электромагнитных аналогов гравитационных волн обнаружено не было. Но когда с помощью более чувствительных детекторов будет измерено больше таких событий, исследователи ожидают, что электромагнитные волны будут обнаружены и здесь. Во время и после слияния материя выбрасывается из системы и генерирует электромагнитное излучение. Это, вероятно, также приводит к коротким гамма-всплескам, наблюдаемым космическими телескопами.

Для своего исследования ученые выбрали две разные модельные системы, состоящие из вращающейся черной дыры и нейтронной звезды. Массы черной дыры были установлены на 5,4 и 8,1 солнечных масс соответственно, а масса нейтронной звезды – на 1,35 солнечных масс. Эти параметры были выбраны таким образом, чтобы можно было ожидать, что нейтронная звезда будет разорвана на части приливными силами.

"Мы получили представление о процессе, который длится одну-две секунды - звучит коротко, но на самом деле за это время происходит очень многое: от конечных орбит и разрушения нейтронной звезды приливными силами, выброса материи, до формирования аккреционного диска вокруг наращиваемой черной дыры и последующего выброса материи в джете", – говорит Масару Шибата, директор кафедры вычислительной релятивистской астрофизики Института гравитационной физики имени Макса Планка. "Этот высокоэнергетический джет, вероятно, также является причиной коротких гамма-всплесков, происхождение которых до сих пор остается загадочным. Результаты моделирования также показывают, что выброшенная материя должна синтезировать тяжелые элементы, такие как золото и платина".

Численная симуляция слияния черной дыры и нейтронной звезды: В левой части симуляции показан профиль плотности (синий и зеленый контуры) с линиями магнитного поля (розовые кривые), пронизывающими черную дыру, несвязанную материю (белый цвет) и ее скорость (зеленые стрелки). Справа показана напряженность магнитного поля (пурпурный цвет) и линии магнитного поля (светло-голубые кривые). Credit: Max Planck Society

Что происходит во время и после слияния?

Симуляции показывают, что в процессе слияния нейтронная звезда разрывается на части под влиянием приливных сил. Около 80% материи нейтронной звезды падает в черную дыру в течение нескольких миллисекунд, увеличивая ее массу примерно на одну солнечную массу. Последующие примерно 10 миллисекунд материя нейтронной звезды формирует однорукую спиральную структуру. Часть материи в спирали выбрасывается из системы, а остальные (0,2-0,3 солнечной массы) образуют аккреционный диск вокруг черной дыры. Когда аккреционный диск падает на черную дыру после слияния, это вызывает сфокусированный, похожий на джет поток электромагнитного излучения, который может произвести короткий гамма-всплеск.

Секундные симуляции

Кластерному компьютеру "Сакура" кафедры требуется около 2 месяцев, чтобы решить уравнение Эйнштейна для процесса, занимающего около двух секунд. "Такие симуляции по общей относительности занимают очень много времени. Поэтому исследовательские группы по всему миру до сих пор фокусировались только на коротких симуляциях", – объясняет доктор Кента Киучи, руководитель группы на кафедре Шибата, разработавший код. "В отличие от этого, сквозная симуляция, такая как та, которую мы сейчас провели впервые, дает самосогласованную картину всего процесса для заданных начальных условий бинаров, которые определяются один раз в начале".

Более того, только с помощью столь длительных симуляций исследователи могут изучить механизм генерации коротких гамма-всплесков, которые обычно длятся одну-две секунды.

Шибат и ученые его кафедры уже работают над аналогичными, но еще более сложными численными симуляциями для последовательного моделирования столкновения двух нейтронных звезд и фазы после слияния.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.