Сверхтяжелые нейтронные звезды были обнаружены в старых наблюдениях

Астрономы, изучающие архивные наблюдения мощных взрывов, так называемых коротких всплесков гамма-лучей (GRB), обнаружили световые признаки, указывающие на кратковременное существование сверхтяжелой нейтронной звезды незадолго до ее коллапса в черную дыру.

Этот быстротечный массивный объект, предположительно, образовался в результате столкновения двух нейтронных звезд, рассказывают в НАСА.

"Мы искали эти сигналы в 700 коротких GRB, зарегистрированных обсерваторией Нила Герелса Свифта, гамма-телескопом Ферми и обсерваторией гамма-лучей Комптона", - пояснила Сесилия Чиренти, исследователь из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (UMCP) и Центра космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, которая представила результаты исследования на 241-м заседании Американского астрономического общества в Сиэтле.

"Мы обнаружили эти гамма-лучи в двух всплесках, наблюдавшихся Комптоном в начале 1990-х годов".

Статья с описанием результатов, полученных под руководством Чиренти, была опубликована в понедельник, 9 января, в научном журнале Nature.

Нейтронная звезда образуется, когда в ядре массивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует (проваливается в себя). При этом возникает ударная волна, которая сдувает остальную часть звезды при взрыве сверхновой. Нейтронные звезды, как правило, упаковывают в шар размером с город массу, превышающую массу нашего Солнца. Свыше определенного предела массы они должны коллапсировать в черные дыры.

Как данные Комптона, так и компьютерное моделирование показали, что меганейтронные звезды на 20% больше самой массивной, точно измеренной нейтронной звезды, известной под названием J0740+6620, масса которой почти в 2,1 раза больше массы Солнца. Сверхтяжелые нейтронные звезды также имеют почти вдвое больший размер, чем типичные нейтронные звезды, или примерно вдвое больше длины острова Манхэттен (остров имеет длину 21 км).

Астронавты сделали снимок обсерватории гамма-лучей Комптона во время ее развертывания с шаттла "Атлантис" в апреле 1991 года. Credit: NASA/STS-37 crew

Меганейтронные звезды вращаются почти 78 000 раз в минуту - почти вдвое быстрее, чем J1748-2446ad, самый быстрый пульсар из зарегистрированных. Такое быстрое вращение ненадолго поддерживает эти объекты против дальнейшего коллапса, позволяя им существовать всего несколько десятых долей секунды, после чего они переходят к образованию черной дыры быстрее, чем мгновение ока.

"Мы знаем, что короткие GRB образуются во время столкновения вращающихся одна вокруг другой нейтронных звезд, и мы знаем, что в конечном итоге они коллапсируют в черную дыру, но точная последовательность событий не очень хорошо изучена", - сказал Коул Миллер, профессор астрономии в UMCP и соавтор статьи. "В определенный момент зарождающаяся черная дыра извергается струей быстро движущихся частиц, которые испускают интенсивную вспышку гамма-лучей - наиболее высокоэнергетическую форму света, и мы хотим больше узнать о том, как это происходит".

Короткие GRB обычно светятся менее двух секунд, но высвобождают энергию, сравнимую с той, которую выделяют все звезды в нашей галактике за год. Они могут быть обнаружены на расстоянии более миллиарда световых лет. Слияние нейтронных звезд также порождает гравитационные волны - пульсации в пространстве-времени, которые могут быть обнаружены все большим числом наземных обсерваторий.

Это моделирование прослеживает гравитационные волны и изменения плотности во время столкновения двух нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга. Темно-фиолетовые цвета представляют самые низкие плотности, а желто-белые - самые высокие. Звуковой сигнал и визуальная шкала частоты (слева) прослеживают постоянный рост частоты гравитационных волн по мере сближения нейтронных звезд. Когда объекты сливаются на 19 секунде, гравитационные волны внезапно переходят на частоту в тысячи герц и прыгают между двумя основными тонами (квазипериодические колебания, или QPO). Наличие этих сигналов в подобных симуляциях привело к поиску и обнаружению аналогичных явлений в свете, испускаемом короткими всплесками гамма-лучей. Credits: NASA′s Goddard Space Flight Center and STAG Research Centre/Peter Hammond

Компьютерное моделирование показывает, что при слиянии нейтронных звезд гравитационные волны демонстрируют внезапный скачок частоты - более 1 000 герц. Эти сигналы слишком быстрые и слабые, чтобы существующие гравитационно-волновые обсерватории могли их обнаружить. Но Чиренти и ее команда предположили, что подобные сигналы могут появляться в гамма-излучении от коротких GRB.

Астрономы называют эти сигналы квазипериодическими осцилляциями, или сокращенно QPO. В отличие, скажем, от равномерного звона вилки, QPO могут состоять из нескольких близких частот, которые меняются или рассеиваются с течением времени. Как гамма-излучение, так и гравитационные волны QPO возникают в водовороте закручивания материи во время слияния двух нейтронных звезд.

В то время как во всплесках от Свифта и Ферми QPO не материализовались, два коротких GRB, зарегистрированных комптоновским Экспериментом со вспышечным и переменным источником (BATSE) 11 июля 1991 года и 1 ноября 1993 года, соответствуют требованиям.

Большая площадь прибора BATSE дала ему преимущество в поиске этих слабых признаков - характерного мерцания, которое свидетельствует о присутствии меганейтронных звезд. Команда оценивает вероятность того, что эти сигналы возникают случайно, как менее чем 1 к 3 миллионам.

"Эти результаты очень важны, поскольку они создают основу для будущих измерений гипермассивных нейтронных звезд гравитационно-волновыми обсерваториями", - сказала Хрисса Кувелиоту, заведующая кафедрой физики Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, не участвовавшая в работе.

К 2030-м годам детекторы гравитационных волн уже будут чувствительны к килогерцовым частотам, что позволит получить новые сведения о короткой жизни сверхбольших нейтронных звезд. До тех пор единственными доступными инструментами для их изучения остаются чувствительные наблюдения гамма-излучения и компьютерное моделирование.

Прибор BATSE Комптона был разработан в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, и предоставил первые убедительные доказательства того, что гамма-всплески происходят далеко за пределами нашей галактики. Проработав почти девять лет, обсерватория гамма-лучей Комптона была деорбитирована 4 июня 2000 года и разрушена при входе в атмосферу Земли.

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