Свечение после слияния нейтронных звезд объяснили «сверхсветовым» джетом

«Сверхсветовое» движение источника радиоволн, а также плавный рост и резкий спад интенсивности излучения, испущенного после слияния двух нейтронных звезд (событие GW170817), можно объяснить с помощью сценария «кокон+джет», в котором джет направлен под углом порядка 20 градусов по отношению к Земле и начинает доминировать только спустя 60 дней после слияния. Этот сценарий подтвердили наблюдения с помощью интерферометра со сверхдлинной базой, выполненные астрономами из США, Австралии, Израиля и Швеции. Статья опубликована в Nature.

Утром 17 августа 2017 года (08:41 по времени восточного побережья США) гравитационные обсерватории LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационную волну GW170817, возникшую при слиянии двух массивных объектов. Всего через две секунды телескопы Fermi и INTEGRAL зафиксировали яркую вспышку гамма-излучения, пришедшую из той же области неба. Анализ данных подтвердил, что совпадение было не случайно — оба сигнала были испущены при слиянии двух нейтронных звезд массой около 1,1 и 1,6 массы Солнца, находящихся на расстоянии порядка 100 миллионов световых лет от Земли. Это первое в истории событие, в ходе которого были зарегистрированы гравитационная и электромагнитная компоненты излучения одного и того же объекта. До этого все зарегистрированные гравитационные волны всегда приходили «в одиночку», поскольку их источниками были слияния черных дыр.

Разобраться, что же действительно произошло после слияния нейтронных звезд, оказалось довольно сложно. Астрономы зарегистрировали не только гамма-излучение, но и излучение в оптическом, ультрафиолетовом, инфракрасном, рентгеновском и радиодиапазонах. В частности, интенсивность излучения в рентгеновском и радиодиапазоне продолжала нарастать еще 150 дней после слияния, а затем сравнительно быстро сошла на нет.

Чтобы объяснить это «послесвечение», было разработано множество теоретических моделей, включая модель «кокона с приглушенным джетом» и модель «кокона со структурированным джетом». Предварительные данные, собранные в течение первых 107 дней после слияния с помощью наземных радиотелескопов VLA и ATCA и спутника uGMRT, указывали на «приглушенный» вариант; подробнее об этом результате можно прочитать в нашей новости «Радиоизлучение от слившихся нейтронных звезд усилил „кокон“ из звездного вещества». Тем не менее, ученые отмечали в статье, что полученный результат не вполне достоверен, но его можно легко перепроверить с помощью радиоинтерферометра со сверхдлинной базой (РСДБ) — системы из нескольких наземных телескопов и одного космического телескопа, работающих синхронно.

Теперь та же группа представила результат уточненных измерений. На этот раз астрономы использовали систему HSA (High Sensitivity Array), в состав которой входят наземные телескопы VLA и GBT, а также десять телескопов VLBA. С помощью этой системы ученые два раза измерили наблюдаемое положение источника спустя 75 и 230 дней после вспышки. Оказалось, что за время, прошедшее между измерениями, центр источника сместился почти на 0,003 угловые секунды, что отвечает движению со скоростью β ≈ 4c, где c — скорость света. Подобное «сверхсветовое» движение возникает, когда источник движется с ультрарелятивистской скоростью под углом θ к линии наблюдения: в случае, когда гамма-фактор источника равен γ, максимальная наблюдаемая скорость источника может достигать β = γc, если θ = 1/γ. Такая скорость свойственна ядрам активных галактик и микроквазарам, однако очень редко достигается другими объектами. До этого момента ученым был известен только одним подобный объект — гамма-всплеск GRB 030329, имевший скорость β ≈ 3—5c.

Рассматривая различные сценарии развития событий после слияния нейтронных звезд, численно моделируя их на компьютере и сравнивая полученные результаты с данными наблюдений, ученые выбрали вариант, который с наибольшей вероятностью реализовался на практике. Оказалось, что лучше всего полученные данные объясняет модель «кокон+джет», в которой первые 60 дней доминирует излучение кокона, а в оставшийся промежуток времени — релятивистский джет, прорвавшийся сквозь кокон.

Гамма-фактор джета медленно уменьшается от γ = 4 на 75 день до γ = 3 на 230 день; угол наклона джета к оси вращения объекта примерно равен 4 градуса, а угол наклона к линии наблюдения — 20 градусам. Полная энергия, выделившаяся за все время испускания излучения (как коконом, так и джетом) по порядку равна 10⁴³ джоулей. Качественно модель похожа на модель «джет+кокон» («структурированный джет»), описанную ранее, однако отличается от нее углами наблюдения и раскрытия джета. Именно благодаря малому углу наблюдения кажущаяся скорость джета превышает скорость света.

Уникальность события GW170817 позволила проверить множество теоретических моделей, которые предсказывали необычные эффекты — например, с его помощью ученые подтвердили, что наше пространство является четырехмерным, наложили ограничение на массу гравитонов и уточнили предельную массу нейтронных звезд. Подробнее узнать о том, какое значение для науки имеет это событие, а также об истории открытия можно в материале «Рождение золота». 

Дмитрий Трунин