Ученые использовали суперкомпьютер НАСА для моделирования последних миллисекунд перед слиянием нейтронных звезд — объектов размером с небольшой город, но с массой, превышающей массу Солнца. Модели показали сложное взаимодействие магнитных полей и плазмы вокруг звезд и предсказали высокоэнергетические сигналы, которые могут быть зафиксированы будущими телескопами. Результаты опубликованы в Astrophysical Journal.
Магнитные вихри и последние витки
«Непосредственно перед слиянием нейтронные звезды окружены сильно намагниченными областями — магнитосферами, заполненными плазмой, которые начинают интенсивно взаимодействовать.Мы изучили последние витки перед столкновением, когда переплетенные магнитные линии стремительно меняются, и смоделировали возможные высокоэнергетические сигналы», — объясняет Димитриос Скиатас из Университета Патраса, работающий в Центре космических полётов имени Годдарда НАСА.
Нейтронные звезды образуются при коллапсе массивных звезд и обладают диаметром около 24 километров, вращаются десятки раз в секунду и имеют магнитные поля в десятки триллионов раз сильнее земного магнита. В таких условиях гамма-лучи могут напрямую превращаться в электроны и позитроны и ускоряться до энергий, недостижимых на Земле.
Симуляции на суперкомпьютере
Команда использовала суперкомпьютер Pleiades в НАСА Ames для проведения более 100 симуляций системы из двух нейтронных звезд массой по 1,4 солнечной. Большинство моделировали последние 7,7 миллисекунд перед слиянием, позволяя детально проследить поведение магнитных полей и плазмы.
«Магнитосфера ведет себя как сложная цепь: линии поля соединяются и разрываются, токи движутся со скоростью, близкой к скорости света, а частицы ускоряются. Отслеживание этой динамики требует суперкомпьютера», — рассказывает Константинос Калапотаракос из Центра Годдарда НАСА.
Прогнозируемые сигналы
Исследователи рассчитали, где высокоэнергетические гамма-лучи могут образоваться и как они распространяются. В плазме часть гамма-лучей с наивысшей энергией быстро превращается в частицы, а более «низкоэнергетические» лучи могут покинуть систему, создавая рентгеновское и гамма-излучение, доступное наблюдению.
«Свет, исходящий от системы, сильно зависит от точки зрения наблюдателя и ориентации магнитных полей нейтронных звезд. Сигналы усиливаются по мере сближения, и это важно учитывать при поиске предслиятельного излучения», — говорит Зоравар Вадиасингх из Университета Мэриленда.
Связь с гравитационными волнами
Слияния нейтронных звезд создают гамма-всплески, гравитационные волны и взрывы килоновых, из которых образуются тяжелые элементы, такие как золото и платина. Результаты симуляций помогут будущим обсерваториям, таким как LISA (ESA и NASA), заранее обнаруживать системы на грани слияния и направлять наземные и космические телескопы для изучения предслиятельного излучения.
«Регулярное наблюдение света и гравитационных волн одновременно даст прорыв в понимании гамма-всплесков», — подчеркивает Демосфен Казанас из обсерватории Годдарда.
Значение работы
Модели показывают, что последние мгновения жизни нейтронных звезд полны хаотических, но предсказуемых процессов, и что электромагнитные сигналы этих финальных моментов могут стать новым инструментом для наблюдения за космическими катастрофами.
«Будущие космические телескопы и обсерватории гравитационных волн смогут фиксировать такие сигналы и изучать, как энергия распределяется в самых экстремальных условиях Вселенной», — заключают исследователи.
Китай построил первую в мире квантовую сеть для поиска темной материи
Астрономы застали редкий момент слияния гигантских скоплений галактик
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram