Каждый раз, когда я читаю о столкновении галактики Андромеды с Млечным Путем, кто-нибудь указывает на то, насколько маловероятно столкновение двух звезд из-за этого. Но что произойдет, если две звезды действительно столкнутся?
Такое случается редко, но звезды сталкиваются в самых плотных частях нашей галактики: вблизи центра и в массивных шаровых звездных скоплениях. Исход столкновения зависит от того, насколько быстро звезды движутся относительно друг друга, что напоминает автомобильную аварию. В звездных скоплениях звезды движутся относительно медленно, и поэтому “изгиб крыла” приводит к тому, что две звезды сливаются в одну новую, более массивную звезду, которую мы называем голубой отставшей звездой. Мы можем довольно легко идентифицировать эти звезды, поскольку они более горячие и яркие, чем другие звезды в скоплении.
Центр галактики больше похож на межзвездную трассу, и звезды движутся очень быстро. Столкновения там гораздо более разрушительны, и часто в результате остаются лишь “звездные осколки” (то есть в основном газообразный водород), разбросанные по всему межзвездному пространству. Самые захватывающие столкновения происходят, когда звезда сталкивается с центральной черной дырой в нашей галактике. Звезда, конечно, не выживет, но она погаснет во вспышке славы, называемой приливным разрушением. Часть вещества звезды выбрасывается, но остальное попадает в черную дыру и образует горячий газовый диск, прежде чем оно будет поглощено.
Что происходит при столкновении нейтронных звезд?
Для начала разберемся что из себя представляют нейтронные звезды?
Нейтронные звезды - это остатки ядер массивных звезд, которые достигли конца своей жизни.
Они являются одной из двух возможных конечных точек эволюции самых массивных звезд, другой из которых являются черные дыры. Самые плотные звездные объекты, не считая, возможно, того, что находится в сердце черной дыры, нейтронные звезды - одни из самых экстремальных объектов Вселенной.
Когда звезды коллапсируют, они могут оставить после себя невероятно плотные, но относительно маленькие и холодные остатки, называемые нейтронными звездами. Если две звезды коллапсируют в непосредственной близости, оставшиеся двойные нейтронные звезды закручиваются по спирали и в конечном итоге сталкиваются, а граница раздела, где две звезды начинают сливаться, становится невероятно горячей. Новое моделирование этих событий показывает, что горячие нейтрино — крошечные, практически безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с другой материей, — образующиеся во время столкновения, могут ненадолго задерживаться на этих границах раздела и оставаться вне равновесия с холодными ядрами сливающихся звезд в течение 2-3 миллисекунд. За это время моделирование показало, что нейтрино могут слабо взаимодействовать с веществом звезд, помогая вернуть частицы к равновесию и давая новое представление о физике этих мощных событий.
“Впервые в 2017 году мы наблюдали здесь, на Земле, сигналы различного рода, включая гравитационные волны, от слияния двойной нейтронной звезды”, - сказал Педро Луис Эспино, научный сотрудник университета Пенсильвании и Калифорнийского университета в Беркли, который руководил исследованием. “Это привело к огромному всплеску интереса к астрофизике двойных нейтронных звезд. Невозможно воспроизвести эти события в лаборатории для их экспериментального изучения, поэтому лучший способ понять, что происходит во время слияния двойной нейтронной звезды, - это провести математическое моделирование, основанное на общей теории относительности Эйнштейна”.
Нейтронные звезды получили свое название потому, что считается, что они почти полностью состоят из нейтронов - незаряженных частиц, которые наряду с положительно заряженными протонами и отрицательно заряженными электронами составляют атомы. Считается, что их невероятная плотность — только черные дыры меньше и плотнее — сжимает протоны и электроны вместе, превращая их в нейтроны. Типичная нейтронная звезда имеет всего десятки километров в поперечнике, но ее масса примерно в полтора раза превышает массу нашего Солнца, которое составляет около 1,4 миллиона километров в поперечнике. Чайная ложка вещества нейтронной звезды может весить столько же, сколько гора, десятки или сотни миллионов тонн.
“Нейтронные звезды до слияния, по сути, холодные, хотя их температура может достигать миллиардов градусов по Кельвину, их невероятная плотность означает, что это тепло вносит очень незначительный вклад в энергию системы”, - сказал Дэвид Рэдис, доцент кафедры физики, астрономии и астрофизики в научном колледже Эберли в Пенсильванском государственном университете. руководитель исследовательской группы. “При столкновении они могут стать по-настоящему горячими, поверхность раздела сталкивающихся звезд может нагреваться до температур в триллионы градусов Кельвина. Однако они настолько плотные, что фотоны не могут рассеять тепло; вместо этого мы думаем, что они охлаждаются, испуская нейтрино”.
По словам исследователей, нейтрино образуются во время столкновения, когда нейтроны в звездах сталкиваются друг с другом и распадаются на протоны, электроны и нейтрино. Что происходит в первые мгновения после столкновения, остается открытым вопросом в астрофизике.
Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, исследовательская группа создала симуляции, требующие огромных вычислительных мощностей, которые моделируют слияние двойных нейтронных звезд и всю связанную с этим физику. Моделирование впервые показало, что даже нейтрино, пусть и на короткое время, могут быть захвачены теплом и плотностью слияния. Горячие нейтрино не находятся в равновесии с еще холодными ядрами звезд и могут взаимодействовать с их веществом.
“Эти экстремальные явления расширяют границы нашего понимания физики, и их изучение позволяет нам узнавать что-то новое”, - сказал Рэдис. “Период, в течение которого сливающиеся звезды находятся вне равновесия, составляет всего 2-3 миллисекунды, но, как и температура, время здесь относительно, период обращения двух звезд перед слиянием может составлять всего 1 миллисекунду. Эта короткая фаза выхода из равновесия - момент, когда происходит наиболее интересная физика, и как только система возвращается к равновесию, физика становится более понятной”.
Исследователи объяснили, что точные физические взаимодействия, возникающие во время слияния, могут влиять на типы сигналов, которые можно наблюдать на Земле при слиянии двойных звезд.
“То, как нейтрино взаимодействуют с веществом звезд и в конечном итоге испускаются, может повлиять на колебания слившихся остатков двух звезд, что, в свою очередь, может повлиять на то, как выглядят электромагнитные и гравитационные волновые сигналы слияния, когда они достигают нас здесь, на Земле”, - сказал Эспино. “Детекторы гравитационных волн следующего поколения могут быть разработаны для поиска такого рода различий в сигналах. Таким образом, моделирование играет решающую роль, позволяя нам получить представление об этих экстремальных явлениях, а также информировать о будущих экспериментах и наблюдениях в виде своеобразной обратной связи”.
