Гамма-всплески — едва ли не самые яркие события современной нам Вселенной. В считаные секунды они выделяют количество энергии, сравнимое с излучением всей нашей галактики в течение года. Львиная доля излучения всплеска, вырывающегося в двух противоположных направлениях узконаправленными струями-джетами, приходится именно на гамма-лучи, наиболее жесткую часть спектра. Вопрос о том, что именно придает всплескам такую огромную мощь, остается одной из неразрешенных проблем астрофизики. И хотя на этот счет существует целый ряд гипотез, ни одна из них не является окончательно доказанной.
Столкновение в теории: Звезда со звездою сходятся
Столкновение пары нейтронных звезд, произошедшее не в реальности, а в «мозгах» суперкомпьютера, подтвердило, что именно это событие может приводить к появлению гамма-всплесков.
Одна из версий предполагает, что гамма-всплески (или, по крайней мере, одна их разновидность, короткие всплески) могут рождаться в процессе слияния двух нейтронных звезд, либо нейтронной звезды и черной дыры. Предполагается, что по мере того, как вещество падает, все ускоряясь и раскаляясь, в черную дыру, часть его слишком ускоряется и выбрасывается в виде тонких джетов в противоположном направлении на скорости, близкой к световой. Сталкиваясь с гибнущей звездой, джеты и вызывают появление пучков гамма-излучения.
Однако более детальное изучение этого явления, необходимое для уточнения версии, крайне сложно. Астрономические инструменты слишком медленны для этого процесса, длящегося пару секунд, и просто не успевали наводиться на появлявшиеся вспышки. Лишь в 2004 г. была организована своего рода система предупреждения: орбитальный гамма-телескоп Swift стал в автоматическом режиме фиксировать появляющиеся всплески и, моментально установив их местоположение, оповещать другие подходящие для наблюдений приборы. Это позволило собрать необходимые данные для построения более точных теоретических моделей.
Весь этот опыт был обобщен в недавнем исследовании этого процесса, проведенном с использованием последних теорий и сверхмощных компьютеров. «Мы впервые провели симуляцию этого слияния, приводящего к появлению черной дыры, — сказала Хрисса Кувельоту (Chryssa Kouveliotou), одна из авторов работы, — Получилась самая долгая симуляция процесса, единственная, достаточно длительная для того, чтобы охватить и его финальные этапы, венчающиеся образованием магнитного поля и реорганизацией от хаотической структуры к той, которая уже образует джеты».
По расчетам, процесс выглядит примерно следующим образом. Для начала напомним, что нейтронная звезда — один из вариантов финальной стадии существования массивной звезды, недостаточно крупной, чтобы стать черной дырой, но все-таки прошедшей через этап взрыва сверхновой. Сильнейшее притяжение оставшейся массы превращает ее в невероятно плотное вещество, т.н. «вырожденное», даже в атомах которого электроны слились с протонами, образовав нейтроны. Воспроизвести подобное мы не в состоянии, но в состоянии представить — нейтронная звезда диаметром в пару десятков километров будет иметь массу больше, чем все громадное Солнце.
Итак, в симуляции рассматривались две такие звезды массами по 1,5 солнечной массы и диаметрами по 27,4 км, вращающиеся в двойной системе, разделенные расстоянием 17,7 км. Как и положено подобным объектам, они обладали мощнейшим магнитным полем, в миллионы раз более сильным, чем у того же Солнца.
Затем, за какие-то 15 мс пара звезд столкнулись друг с другом, слились и быстро превратились в быстро вращающуюся черную дыру массой 2,9 солнечных масс. Горизонт событий черной дыры (условно можно назвать его радиусом) составил менее 10 км. А вокруг разворачивалась хаотическая пляска сверхплотного вещества, раскалившегося до температур выше 10 млрд. градусов. Объединенная мощь магнитных полей гибнущих нейтронных звезд стала совершенно громадной, но еще хаотической и неупорядоченной.
В следующие 11 мс окружающий черную дыру газ разогнался почти до световой скорости, сила магнитного поля еще более возросла, уже в тысячи раз превосходя силу исходных полей. Параллельно в нем начала просматриваться некоторая структуризация, пока ясно не обозначилась пара пучков силовых линий, противоположно направленных вдоль оси вращения черной дыры.
Такое магнитное поле — мощнейшее, сходящееся к двум узким «рукавам» — именно то, что нужно, чтобы создать сверхбыстрый поток заряженных частиц, который способен породить короткий гамма-всплеск. В данном случае моделирование процесса не коснулось этих последних этапов, но лишь потому, что такую возможность показали предыдущие исследования.
Авторы работы добавляют, впрочем, что окончательное подтверждение справедливости этой модели возможно будет лишь с обнаружением пресловутых гравитационных волн — возмущений гравитационного поля, которые предсказываются ОТО и должны проявляться особенно ярко именно в ходе слияния нейтронных звезд. Характерную форму гравитационных волн, сопровождающих процесс слияния нейтронных звезд и рождения гамма-всплеска, ученые уже посчитали. Осталось их найти.
О трудном же поиске гравитационных волн читайте в статье «Рябь пространства-времени».
По пресс-релизу NASA