Астрономы доказали причастность слияний нейтронных звезд к коротким гамма-всплескам

Астрономы подтвердили, что короткие гамма-всплески действительно возникают в результате рождения килоновой при слиянии нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды. Авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, сделали этот вывод изучая данные, собранные многими обсерваториями мира во время наблюдений за первым в истории слиянием нейтронных звезд, которое было обнаружено гравитационной обсерваторией LIGO.

Гамма-всплески — одни из самых высокоэнергетических событий во Вселенной. Во время одной вспышки за несколько секунд в космос может высветиться столько же энергии, сколько Солнце излучит за 10 миллиардов лет. Астрономы различают длинные (более 2 секунд) и короткие гамма-всплески. Первые, как считается сегодня, возникают в результате гравитационного коллапса массивной звезды, быстро вращающейся вокруг оси. Согласно расчетам, часть ее ядра при этом превращается в черную дыру, окруженную мощным аккреционным диском, который в течение нескольких секунд падает на дыру. Механизм коротких гамма-всплесков, которые могут длиться доли секунды, вероятно, связан со слиянием нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. Согласно теориям, в результате также может образовываться черная дыра с аккреционным диском.

В августе 2017 года астрономам удалось впервые зарегистрировать гравитационные волны от слияния нейтронных звезд. Возникшие затем гамма-всплеск и рождение килоновой наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий. Однако зафиксированная исследователями гамма-вспышка была слабой, что поставило под вопрос связь слияний нейтронных звезд с мощными короткими гамма-всплесками.

Группа под руководством Давида Лаццати (Davide Lazzati) из Университета штата Орегон построили модель вспышки, которая могла возникнуть в результате рождения килоновой. Ученые провели компьютерную симуляцию, в которой рассчитали, как будет двигаться выброшенная материя и как короткий гамма-всплеск будет выглядеть для наблюдателей, находящихся в различных точках пространства относительно джета — узконаправленного потока частиц, двигающихся с околосветовыми скоростями.

Во время прохождения сквозь среду джет взаимодействует с окружающим его веществом, создавая своеобразный кокон из частиц, также двигающихся с релятивистскими скоростями. Это вторичный, менее яркий источник излучения, который обычно не регистрируется телескопами, когда в их сторону направлен джет. Однако инструменты могут обнаружить его, если джет «смотрит» в сторону.

Симуляция показала — если наблюдатель будет находиться под углом около 30 градусов по отношению к главной оси джета (как показано ниже на картинке), то сначала он увидит излучение от менее ярких частиц кокона, которые движутся непосредственно вдоль луча зрения. Через несколько дней при прохождении через межзвездную среду их скорость замедлится. Со временем частицы, которые движутся под большим углом относительно луча зрения наблюдателя, также станут видимы. Для инструментов это будет выглядеть как увеличение яркости послесвечения от вспышки.

Кривая блеска, полученная в результате моделирования, согласуется с реальными данными наблюдений. Это значит, что ученым действительно удалось зарегистрировать короткую гамму-вспышку, которую предсказывают теории.

Впервые гравитационные волны, прямое следствие уравнений общей теории относительности, удалось зарегистрировать в 2016 году. Тогда их источником стало слияние двух черных дыр массой около 29 и 36 масс Солнца. Первую килоновую, однако, астрономы зарегистрировали еще в 2013 году — тогда обсерватории Swift Gamma-Ray Burst Explorer и KONUS/WIND зафиксировали всплеск sGRB 130603B, а затем «Хаббл» увидел тусклое послесвечение в инфракрасном диапазоне.

Кристина Уласович