Надважкі нейтронні зорі були знайдені у старих спостереженнях

Астрономи, які вивчають архівні спостереження потужних вибухів, так званих коротких сплесків гамма-променів (GRB), виявили світлові ознаки, які вказують на короткочасне існування надважкої нейтронної зірки незадовго до її колапсу в чорну діру.

Цей швидкоплинний масивний об′єкт, імовірно, утворився внаслідок зіткнення двох нейтронних зірок, розповідають в НАСА.

"Ми шукали ці сигнали в 700 коротких GRB, зареєстрованих обсерваторією Ніла Герелса Свіфта, гамма-телескопом Фермі та обсерваторією гамма-променів Комптона", - пояснила Сесілія Чіренті, дослідниця з Мерилендського університету в Коледж-Парку (UMCP) та Центру космічних польотів НАСА імені Годдарда в Грінбелті, штат Мериленд, яка презентувала результати дослідження на 241-му засіданні Американського астрономічного товариства в Сіетлі.

"Ми виявили ці гамма-промені у двох сплесках, що спостерігалися Комптоном на початку 1990-х років".

Стаття з описом результатів, отриманих під керівництвом Чіренті, була опублікована у понеділок, 9 січня, в науковому журналі Nature.

Нейтронна зоря утворюється, коли в ядрі масивної зірки закінчується паливо й вона колапсує (провалюється в себе). При цьому виникає ударна хвиля, яка здуває іншу частину зірки у вибуху наднової. Нейтронні зорі, як правило, упаковують у кулю розміром з місто масу, що перевищує масу нашого Сонця. Понад певну межу маси вони повинні колапсувати в чорні діри.

Як дані Комптона, так і комп′ютерне моделювання показали, що меганейтронні зорі на 20% більші за наймасивнішу, точно виміряну нейтронну зірку, відому під назвою J0740+6620, маса якої майже у 2,1 раза більша за масу Сонця. Надважкі нейтронні зорі також мають майже вдвічі більший розмір, ніж типові нейтронні зорі, або приблизно вдвічі більші за довжину острова Манхеттен (острів має довжину 21 км).

Астронавти зробили знімок обсерваторії гамма-променів Комптона під час її розгортання з шаттла "Атлантіс" у квітні 1991 року. Credit: NASA/STS-37 crew

Меганейтронні зорі обертаються майже 78 000 разів на хвилину - майже вдвічі швидше, ніж J1748-2446ad, найшвидший пульсар із зареєстрованих. Таке швидке обертання ненадовго підтримує ці об′єкти проти подальшого колапсу, дозволяючи їм існувати всього кілька десятих часток секунди, після чого вони переходять до утворення чорної діри швидше, ніж мить ока.

"Ми знаємо, що короткі GRB утворюються під час зіткнення нейтронних зірок, які обертаються одна навколо іншої, і ми знаємо, що у кінцевому підсумку вони колапсують у чорну діру, але точна послідовність подій не дуже добре вивчена", - сказав Коул Міллер, професор астрономії в UMCP і співавтор статті. "У певний момент зароджувана чорна діра вивергається струменем швидкорухомих частинок, які випускають інтенсивний спалах гамма-променів - найбільш високоенергетичну форму світла, і ми хочемо більше дізнатися про те, як це відбувається".

Короткі GRB зазвичай світяться менше ніж дві секунди, але вивільняють енергію, яку можна порівняти з тією, яку виділяють усі зорі в нашій галактиці за рік. Вони можуть бути виявлені на відстані понад мільярд світлових років. Злиття нейтронних зірок також породжує гравітаційні хвилі - пульсації в просторі-часі, які можуть бути виявлені дедалі більшим числом наземних обсерваторій.

Це моделювання простежує гравітаційні хвилі та зміни щільності під час зіткнення двох нейтронних зірок, що обертаються одна навколо іншої. Темно-фіолетові кольори представляють найнижчі щільності, а жовто-білі - найвищі. Звуковий сигнал і візуальна шкала частоти (зліва) простежують постійне зростання частоти гравітаційних хвиль у міру зближення нейтронних зірок. Коли об′єкти зливаються на 19 секунді, гравітаційні хвилі раптово переходять на частоту в тисячі герців і стрибають між двома основними тонами (квазіперіодичні коливання, або QPO). Наявність цих сигналів у подібних симуляціях призвела до пошуку та виявлення аналогічних явищ у світлі, що випускається короткими сплесками гамма-променів. Credits: NASA′s Goddard Space Flight Center and STAG Research Centre/Peter Hammond

Комп′ютерне моделювання показує, що при злитті нейтронних зірок гравітаційні хвилі демонструють раптовий стрибок частоти - понад 1 000 герців. Ці сигнали занадто швидкі й слабкі, щоб наявні гравітаційно-хвильові обсерваторії могли їх виявити. Але Чіренті та її команда припустили, що подібні сигнали можуть з′являтися в гамма-випромінюванні від коротких GRB.

Астрономи називають ці сигнали квазіперіодичними осциляціями, або скорочено QPO. На відміну, скажімо, від рівномірного дзенькоту вилки, QPO можуть складатися з декількох близьких частот, які змінюються або розсіюються з плином часу. Як гамма-випромінювання, так і гравітаційні хвилі QPO виникають у вирі закручення матерії під час злиття двох нейтронних зірок.

У той час як у сплесках від Свіфта та Фермі QPO не матеріалізувалися, два коротких GRB, зареєстрованих комптонівським Експериментом зі спалаховим і змінним джерелом (BATSE) 11 липня 1991 року та 1 листопада 1993 року, відповідають вимогам.

Велика площа приладу BATSE дала йому перевагу в пошуку цих слабких ознак - характерного мерехтіння, яке свідчить про присутність меганейтронних зірок. Команда оцінює ймовірність того, що ці сигнали виникають випадково, як менш ніж 1 до 3 мільйонів.

"Ці результати дуже важливі, оскільки вони створюють підґрунтя для майбутніх вимірювань гіпермасивних нейтронних зірок гравітаційно-хвильовими обсерваторіями", - сказала Хрісса Кувеліоту, завідувачка кафедри фізики Університету Джорджа Вашингтона у Вашингтоні, яка не брала участі в роботі.

До 2030-х років детектори гравітаційних хвиль вже будуть чутливі до кілогерцових частот, що дасть змогу отримати нові відомості про коротке життя надвеликих нейтронних зірок. Доти єдиними доступними інструментами для їх вивчення залишаються чутливі спостереження гамма-випромінювання та комп′ютерне моделювання.

Прилад BATSE Комптона був розроблений у Центрі космічних польотів імені Маршалла НАСА в Хантсвіллі, штат Алабама, і надав перші переконливі докази того, що гамма-сплески відбуваються далеко за межами нашої галактики. Пропрацювавши майже дев′ять років, обсерваторія гамма-променів Комптона була деорбітована 4 червня 2000 року і зруйнована під час входу в атмосферу Землі.

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