Міжнародна група астрофізиків з допомогою комп'ютерного моделювання показала, що зіткнення двох досить масивних нейтронних зірок призводить до народження обертається чорної діри, оточеної надсильних магнітним полем, що містить тороїдального та полоїдального компоненти. Подібна конфігурація магнітних полів сприяє формуванню релятивістських джетів – струменів заряджених частинок, що вилітають з полярних областей діри майже зі світловою швидкістю. Є серйозні підстави вважати, що саме такі джети генерують доходять до Землі спалахи гамма-випромінювання особливо високої потужності – гамма-сплески.

Рис. 1. Моделювання еволюції подвійної системи і освіти магнітного поля. «Моментальні знімки» у верхньому ряду відповідають часам t = 7,4 мсек (злиття двох нейтронних зірок) і 13,8 мсек (гравітаційний колапс і народження чорної діри); в нижньому – 15,26 і 26,5 мсек (еволюція після утворення чорної діри); зеленим кольором показані силові лінії несформованого магнітного поля обертається плазмового тороіда (його зовнішній і внутрішній радіуси становлять 170 і 90 км, радіус горизонту подій діри приблизно дорівнює 9 км), білий кольором – магнітного поля чорної діри. Добре видно (четверте зображення), що поблизу діри білі лінії витягнуті уздовж її осі обертання, тобто магнітне поле має полоїдального структуру.

Подібна конфігурація магнітних полів сприяє формуванню релятивістських джетів, струменів заряджених частинок, що вилітають з полярних областей діри майже зі світловою швидкістю.

У недавній замітці про нестандартному гамма-сплеск я згадав нову роботу американських і європейських астрофізиків, в якій представлені результати комп'ютерного моделювання процесу зіткнення двох намагнічених нейтронних зірок (для стислості, НЗ) Тоді я обмежився кількома фразами, тим більше що журнальна версія статті професора Лучіано Реццолли (Luciano Rezzolla) з Потсдамського Інституту фізики тяжіння Макса Планка, співробітника Мерілендського університету і Годдардівського центру космічних польотів НАСА Бруно Джакомаццо (Bruno Giacomazzo) та їх колег ще не була опублікована. Тепер їхня робота з'явилася у випуску The Astrophysical Journal Letters від 1 травня, так що про неї можна розповісти детальніше.

Для початку варто повністю привести назва статті – «The Missing Link: Merging Neutron Stars Naturally Produce Jet-Like Structures And Can Power Short Gamma-Ray Bursts» («Відсутня ланка: злиття нейтронних зірок природним чином формує джетоподобние структури і може служити джерелом енергії коротких гамма-сплесків »). Виконане авторами моделювання показало, що зіткнення двох достаточніше масивних НЗ призводить до народження обертається чорної діри, оточеної надсильних магнітним полем, що містить тороїдального та полоїдального компоненти (див. Toroidal and poloidal). Подібна конфігурація магнітних полів сприяє формуванню релятивістських джетів, струменів заряджених частинок, що вилітають з полярних областей діри майже зі світловою швидкістю.

Такі джети вельми і вельми цікавлять астрофізиків. Є серйозні підстави вважати, що саме вони генерують доходять до Землі спалахи гамма-випромінювання особливо високої потужності – так звані гамма-сплески. Якщо ці спалахи мають секундну або субсекундную протяжність, сплески називають короткими.

Походження сплесків цього типу остаточно не з'ясовано і до цього дня. Однак найбільш загальноприйнята модель пов'язує їх народження із зіткненнями надкомпактних космічних об'єктів, чорних дір або нейтронних зірок. Спочатку ці об'єкти утворюють подвійні системи, які інтенсивно випромінюють гравітаційні хвилі і тому швидко втрачають енергію. У результаті космічні компаньйони зближуються за стягивающими спіральним траєкторіях і в кінці кінців стикаються один з одним. В даний час ведеться робота над інтерферометричних детекторами гравітаційного випромінювання, які будуть досить чутливі для того, щоб щорічно реєструвати десятки або навіть сотні таких подій. Передбачається, що дані з нових детекторів почнуть надходити вже в 2014 році.

Перші гіпотези, що пояснюють генерацію коротких гамма-сплесків в термінах зіткнень космічних компактів, були висловлені ще в 1980-і роки. У минулому десятилітті кілька дослідницьких груп детально прорахували цей процес на суперкомп'ютерах, приділивши особливу увагу злиття нейтронних зірок, що володіють великим кутовим моментом. Згідно домінуючому сценарієм, заснованому на результатах цих симуляцій, таке злиття призводить до виникнення швидко обертається чорної діри, у якої ставлення моменту обертання J до квадрату маси M2 наближається до одиниці (конкретно, лежить в діапазоні 0,7-0,8). Дірку оточує плазмове хмара тороїдальної форми, маса якого не перевищує 40% сонячної маси.

Оскільки плазма зобов'язана аккретіровать на чорну діру, і, як прийнято вважати, така акреція за певних умов здатна народжувати релятивістські джети з характерним часом генерації від ста до тисячі мілісекунд, такий сценарій в принципі пояснює виникнення коротких гамма-сплесків. Однак не більше, ніж «у принципі», оскільки всі ці симуляції все ж таки не змогли переконливо продемонструвати можливість народження джетів. У новій роботі вперше показано, що злиття пари помірно намагніченихЗ дійсно створює умови для виникнення саме тих джетів, які теоретично потрібні для генерації коротких гамма-сплесків.

Професор Реццолла і його співавтори розглянули останню стадію спільного існування пари однакових НЗ з гравітаційною масою в півтори маси Сонця і екваторіальним радіусом 13,6 км. На початку симуляції їх центри віддалені один від одного приблизно на 45 км. Кожна зірка має полоїдального магнітним полем з максимальною напруженістю 1012 гаус. Для спрощення обчислень автори припустили, що в початковий момент зірки обертаються навколо загального центру інерції по кругових орбітах, проте негайно починають зближуватися з-за випромінювання гравітаційних хвиль.

Далі вже працювала симуляція, проведена в Німеччині на комп'ютерному комплексі Damiana, що належить Інституту імені Альберта Ейнштейна. Вона охопила тільки процеси, що мають місце протягом 35 мілісекунд після початкового моменту, причому навіть на це комп'ютера було потрібно близько семи тижнів. Для неї були використані дуже складні коди, здатні спільно опрацювати рівняння загальної теорії відносності та релятивістської магнітної гідродинаміки; їх спільно написали два перші автора статті, Реццолла і Джанкоммаццо.

Ось основні результати моделювання. Нейтронні зірки встигають зробити один навколо одного лише три оберти, на що потрібно 7,4 мілісекунди. Потім вони стикаються і зливаються, утворюючи швидко обертається гіпермассівную НЗ, чия маса втричі перевищує масу Сонця (причому її обертання диференційно в тому сенсі, що кутова швидкість залежить від широти). Ця зірка, як і її попередники, інтенсивно випромінює гравітаційні хвилі і, як наслідок, швидко втрачає кутовий момент. З цієї причини її життя виявляється дуже недовгою, всього кілька мілісекунд. На 14-й мілісекунді вона зазнає гравітаційний колапс і дає початок чорній дірі з масою 2,91 маси Сонця і ставленням J/M2 = 0,81. Навколо діри формується бублик з дуже щільною і гарячої плазми. Його початкова маса складає 0,063 сонячної маси, а зовнішній і внутрішній радіуси відповідно 170 і 90 км (радіус горизонту подій діри приблизно дорівнює 9 км).

Проведена симуляція дозволила оцінити щільність речовини плазмового тороіда (в максимумі – 1011 г/см3) і його температуру (1010 К). Швидкість акреції плазми на горизонт подій чорної діри досягає однієї п'ятої маси Сонця в секунду. Звідси випливає, що процес акреції займає всього 0,3 секунди, і після закінчення цього часу плазмове хмара практично повністю зникає. Оскільки акреція запускає генерацію релятивістських джетів, тривалість їх існування дорівнює тим же 300 мілісекунд.Як показують астрономічні спостереження, така ж середня довжина коротких гамма-сплесків.

На рис. 1 представлені чотири «моментальні знімки» цього процесу, що відповідають часів t = 7,4 і 13,8 мсек (верхній ряд) і 15,26 і 26,5 мсек (нижній ряд). На двох зображеннях нижнього ряду також представлено формування магнітного поля обертається плазмового тороіда (його силові лінії дано зеленим кольором) і магнітного поля чорної діри (білий колір). Добре видно (див. четверте зображення), що поблизу діри білі лінії витягнуті уздовж її осі обертання, тобто магнітне поле має полоїдального структуру. Тим самим воно створює дві розширюються горловини, через які і викидаються релятивістські джети.

Рис. 2. Еволюція магнітного поля. У лівому верхньому кутку – сильно турбулентне магнітне поле проміжної гіпермассівной НЗ (t = 13,8 мсек). На трьох інших зображеннях, які відповідають часам t = 15,26, 21,2 і 26,5 мсек, добре видно формування тороїдального і полоїдального полів новонародженої чорної діри.

У телефонній розмові Бруно Джакомаццо зазначив, що цей результат отримано вперше. Більш ранні симуляції зіткнення намагнічених НЗ або не давали його зовсім, або прораховували тільки для нереалістичних початкових умов. Більш детально еволюція магнітного поля показано на рис. 2. Перше зображення (у лівому верхньому куті) представляє сильно турбулентне магнітне поле проміжної гіпермассівной НЗ. На другому, третьому і четвертому зображеннях, які відповідають часам t = 15,26, 21,2 і 26,5 мсек, добре видно формування тороїдального і полоїдального полів новонародженої чорної діри. Симуляція також показала, що напруженість як тороїдального, так і полоїдального поля в кінцевій фазі по порядку величини становить 1015 Гс, тобто в тисячу разів більше полів стикаються НЗ. Для порівняння варто зазначити, що максимальна напруженість поля магнетарів – швидко обертаються НЗ з надсильної намагніченістю – становить 1014 Гс.

Бруно Джакоммаццо підкреслив, що виконана його групою симуляція не дійшла до моделювання процесу формування сильно коллімірованних (див. Collimated light) ультрарелятивістських джетів, які, як вважається, відповідальні за генерацію коротких гамма-сплесків. Для виконання цього завдання доведеться створити нові розрахункові коди з більш високою роздільною здатністю. Робота в цьому напрямку вже ведеться.

За матеріалами: elementy.ru

Tweet

Заможні регіони: Для чого насправді Потрібні вибори?