Что происходит при столкновении нейтронных звезд? Астрономы, возможно, наконец узнают

 Исследователи использовали современные компьютеры и реальные наблюдения, чтобы увидеть трехмерную форму света, исходящего от слияния сверхплотных звездных тел.

Ученые использовали передовое компьютерное моделирование, чтобы определить форму килоновой звезды — излучения света, возникающего в результате столкновения и слияния двух нейтронных звезд. Невероятно, но команда обнаружила, что моделируемые ими килоновы не имели формы гладких однородных сфер или плоских дискообразных взрывов, а были заполнены «каплями» или «пузырями».

«Это значительный шаг вперед в теоретическом понимании того, что происходит при слиянии нейтронных звезд», — сказал Space.com Стюарт Сим, соавтор исследования полученных результатов и физик из Университета Белфаста.

Определение того, что происходит во время столкновения нейтронных звезд, также имеет важные последствия. Это потому, что считается, что турбулентная среда, которая порождает килоновые звезды , является единственным местом во Вселенной , подходящим для создания элементов тяжелее свинца, включая золото, которое мы используем для ювелирных изделий здесь, на Земле . Есть надежда, что изучение килоновых поможет узнать больше об этом процессе.

«Килонова — это световые сигналы от слияния нейтронных звезд, которые являются источником примерно половины всех ядер тяжелее железа. Почти вся платина и золото, которые существуют сегодня, были созданы в результате слияний нейтронных звезд», — Люк Шинглс, ведущий автор исследования. исследования и ученые Центра исследований антипротонов и ионов . «Трёхмерная структура кажется очень важной, и, возможно, потребуется иметь некую пенистую структуру с небольшими комками и пузырьками, а не гладкую эллипсоидную форму, которую предполагали многие люди.

«Если наша модель хорошая, то мы также знаем полную структуру элементов, которые были созданы в ходе событий такого типа».

Почему столкновения нейтронных звезд — уникальная лаборатория физики

Неудивительно, что столкновения между нейтронными звездами создают такие жестокие условия, учитывая, что эти звездные остатки состоят из самого плотного материала в известной Вселенной.

Это потому, что нейтронные звезды рождаются, когда у массивных звезд заканчивается топливо, необходимое для процессов ядерного синтеза в их ядрах, и поэтому они больше не могут генерировать толчок наружу, который поддерживал их против внутреннего толчка гравитации в течение миллиардов лет. Затем, когда ядро ​​звезды коллапсирует, внешние слои звезды выбрасываются, в результате чего образуется тело с массой от одного до двух раз больше солнечной и шириной около 12 миль (20 километров) — нейтронная звезда.

Получившаяся в результате нейтронная звезда настолько плотна, что если бы ее можно было доставить на Землю размером с чайную ложку, она бы весила около 10 миллионов тонн — это в 30 раз тяжелее, чем Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке.

Таким образом, слияния нейтронных звезд создают уникальную лабораторию, где можно изучать вещи, которые невозможно смоделировать здесь, на Земле, а это означает, что исследования, подобные новому исследованию команды, жизненно важны далеко за пределами астрофизики.

«В земных экспериментах вы никогда не встретите материю, столь же плотную, как материя нейтральной звезды», — добавил Сим. «Итак, есть фундаментальные вопросы, которые в некотором роде относятся к аспектам физики элементарных частиц и квантовой хромодинамики, и они имеют отношение к определению того, насколько на самом деле плотна материя нейтронной звезды и как материя нейтронной звезды отреагирует на этот динамический процесс сжатия».

Так же, как настоящая вещь 

Однако что команда действительно нашла удивительным, так это то, насколько близко их компьютерные модели соответствуют реальным наблюдениям за килоновой, известной как AT2017gfo, образовавшейся в результате столкновения двух нейтронных звезд, находящихся на расстоянии около 130 миллионов световых лет . в галактика NGC 4993. 

Шинглс объяснил, почему AT2017gfo был единственным реальным выбором для сравнения с продвинутыми симуляциями команды. «Это единственный объект, который наблюдался очень хорошо и для которого у нас есть действительно хорошие спектры, снятые каждые несколько часов», — сказал он. «Есть и другие объекты, которые люди считают килоновыми, но у них недостаточно наблюдений, чтобы детально увидеть, как выглядят килоновые».

Что касается неожиданного пузырька килоновой, наблюдаемого в ходе моделирования, Сим заявил, что, хотя это результат сложной физики и он еще не до конца понятен, похоже, причиной странной структуры является вещество, выброшенное во время столкновения нейтронных звезд. .

«Когда две нейтронные звезды собираются вместе, существуют различные механизмы, вызывающие выброс материалов», — продолжил Сим. «Особая категория механизмов, на которую мы здесь больше всего обращали внимание, заключается в том, что когда они начинают сталкиваться, материал как бы «выбрасывается» вдоль оси. поднимается и опускается».

Затем этот материал взаимодействует с другими частицами, созданными в результате столкновения, что может изменить состав выброшенного вещества.

Еще одной вещью, которая превзошла ожидания команды, было отсутствие тяжелых элементов в их моделях. Сим объяснил, что команда обнаружила обилие элементов «средней таблицы Менделеева», таких как стронций, но отсутствие таких элементов, как золото и платина.

«Это немного неожиданно. Это говорит нам о нуклеосинтезе, который на самом деле происходит. И это предполагает, что эти вещи производят много таких средних элементов», — сказал Сим. «Но у нас пока нет точных доказательств существования самых тяжелых элементов. Весьма вероятно, что тяжелые элементы там присутствуют, но их просто сложнее напрямую идентифицировать в этом конкретном объекте. Это то, что мы собираемся сделать». продолжать работу».

Взглянем на килоновас со всех сторон

В этом моделировании команда смоделировала столкновение двух нейтронных звезд с массами примерно в 1,3 раза больше солнечной . . В настоящее время проводятся и другие симуляции столкновений нейтронных звезд, в которых команда изменила массу сталкивающихся нейтронных звезд, а также динамику материи, действующую во время слияний.

«Мы надеемся, что через несколько лет у нас будет много симуляций, подобных этой, и мы сможем их перекрестно сравнить и увидеть, какие вещи могут отличаться от случая к случаю», — добавил Сим. «Надеюсь, у нас также будут наблюдения за более реальными килоновыми звездами, чтобы увидеть, насколько велики реальные вариации в этом наблюдаемом классе событий».

Исследователь также считает, что трехмерная форма модели, созданной им и его коллегами, может помочь астрономам идентифицировать килоновые в наблюдениях, давая им представление о том, как они выглядят под разными углами. 

«Эта симуляция предсказывает, что в зависимости от того, в каком направлении вы смотрите на килонову, вы увидите разные вещи. Итак, есть несколько направлений, в которых вы можете смотреть на нее, и она очень похожа на AT2017gfo», — заключил Сим. «Но моделирование предполагает, что если вы посмотрите на килоновую с разницей в направлениях в 90 градусов, вы увидите нечто совершенно иное. определенно не следует что-то выбрасывать только потому, что это не совсем похоже на AT2017gfo. Это все равно может быть килонова».

Источник