Астрофизики показали, что черная дыра, рожденная в результате слияния нейтронных звезд разной массы, может испускать мощный джет, по яркости сопоставимый с короткими гамма-всплесками — самыми быстрыми и яркими вспышками во Вселенной.
Одни из самых экстремальных объектов в космосе — нейтронные звезды — представляют собой очень плотные остатки светил, образовавшиеся в результате взрывов сверхновых. Масса этих космических тел может превышать 2,1-2,3 солнечной массы, а их слияние, сопровождающееся излучением гравитационных волн, приводит к формированию более массивной нейтронной звезды или черной дыры.
Поскольку заглянуть внутрь этих звездных остатков нельзя — впрочем, как и воспроизвести их слияние в лабораторных условиях (из-за колоссальных плотностей и давления), — в основе большинства теоретических исследований лежат методы численного моделирования, включая решения уравнений Общей теории относительности. Именно с их помощью астрофизики предсказали и зафиксировали гравитационно-волновые сигналы, испускаемые при слиянии нейтронных звезд.
Чтобы узнать, может ли только что рожденная в результате слияния черная дыра испускать чрезвычайно яркие джеты — узконаправленные потоки энергии, — авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, разработали на японском суперкомпьютере Fugaku самую детальную и подробную модель этой космической драмы. Слияние подобных систем наблюдалось в 2019 году (событие GW190425), однако тогда черная дыра образовалась слишком быстро и ученые не смогли зафиксировать четкий электромагнитный сигнал.
Теперь исследовательская группа под руководством Кота Хаяши (Kota Hayashi) из Института Макса Планка (Германия) и Института теоретической физики Юкавы (Япония) выяснила: столкновение нейтронных звезд разной массы действительно может привести к формированию аккреционного диска и запуску мощного джета. Светимость джета при этом сопоставима с гамма-всплесками — масштабными вспышками электромагнитного излучения, возникающими при взрывах сверхновых или слияниях компактных объектов.
Результаты моделирования показали, что звездные останки массой 1,25 и 1,65 солнечной массы породили черную дыру, окруженную вихревым аккреционным диском. И, что особенно важно, примерно через треть секунды после слияния вдоль оси вращения космического «монстра» сформировался джет, а его яркость превысила светимость Солнца примерно в 2,6 квадриллиона раз.
Таким образом, астрофизики заключили, что условия для джета можно получить при немедленном коллапсе, то есть даже без промежуточной нейтронной звезды — для этого достаточно массивного аккреционного диска и устойчивого магнитного поля.
Хотя в научной работе учитывали магнитные поля, гравитационные волны, нейтронное излучение и турбулентность, она не моделирует ускорение джета до ультрарелятивистских скоростей, необходимых для наблюдаемых гамма-всплесков. Тем не менее, если в будущем ученые смогут «поймать» гравитационные волны от подобных событий и зафиксировать гамма-всплеск, модель сможет получить подтверждение.
«Это только начало. Мы создали теоретическую основу, так что впереди нас ждут эксперименты, наблюдения и новые симуляции», — подытожил Хаяши.