Численное моделирование образовавшегося материала выброса двух сливающихся нейтронных звезд. Красные цвета относятся к выброшенному материалу с высокой долей нейтронов, который обычно выглядит более красным, чем синий материал, содержащий более высокую долю протонов. Фото: И. Маркин (Потсдамский университет)
Нейтронные звезды являются конечными продуктами массивных звезд и собирают большую часть первоначальной звездной массы в сверхплотную звезду диаметром всего около десяти километров. 17 августа 2017 года исследователи впервые наблюдали многочисленные признаки взрывного слияния двух орбитальных нейтронных звезд: гравитационные волны и огромные всплески радиации, включая гамма-всплеск.
Международная исследовательская группа разработала метод одновременного моделирования наблюдаемых сигналов килоновой звезды. Это позволяет им точно описать, что именно происходит во время слияния, как ведет себя ядерная материя в экстремальных условиях и почему золото на Земле должно было быть создано в таких событиях.
Используя новый программный инструмент, группа из Института гравитационной физики Макса Планка и Потсдамского университета одновременно интерпретировала различные типы астрофизических данных килоновой звезды.
Кроме того, могут быть использованы данные радио- и рентгеновских наблюдений других нейтронных звезд, расчеты ядерной физики и даже данные экспериментов по столкновению тяжелых ионов на земных ускорителях. До сих пор различные источники данных анализировались отдельно, а в некоторых случаях данные интерпретировались с использованием разных физических моделей.
«Анализируя данные последовательно и одновременно, мы получаем более точные результаты», — говорит Питер Т.Х. Панг, ученый из Утрехтского университета.
«Наш новый метод поможет проанализировать свойства материи при экстремальных плотностях. Он также позволит нам лучше понять расширение Вселенной и то, в какой степени тяжелые элементы образуются при слиянии нейтронных звезд», — объясняет Тим Дитрих, профессор Потсдамского университета и руководитель группы студентов Макса Планка в Институте гравитационной физики Макса Планка.
Обзор ограничений EOS по разным информационным каналам. Мы показываем набор возможных EOS (синие линии), которые ограничены до 1,5 нсат расчетами квантового Монте-Карло с использованием киральных взаимодействий EFT и расширены до более высоких плотностей с использованием модели скорости звука. Затем различные области EOS можно ограничить, используя разные астрофизические посланники, обозначенные прямоугольниками: ГВ от спиралей слияний NS, данные от радио- и рентгеновских пульсаров, а также электромагнитные сигналы, связанные со слияниями NS. Отметим, что границы не являются строгими и зависят от ЭОС и свойств изучаемой системы. Фото: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43932-6
Экстремальные условия в космической лаборатории
Нейтронная звезда — это сверхплотный астрофизический объект, образовавшийся в конце жизни массивной звезды в результате взрыва сверхновой. Как и другие компактные объекты, некоторые нейтронные звезды вращаются вокруг друг друга в двойных системах. Они теряют энергию из-за постоянного излучения гравитационных волн — крошечной ряби в ткани пространства-времени — и в конечном итоге сталкиваются.
Такие слияния позволяют исследователям изучать физические принципы в самых экстремальных условиях Вселенной. Например, условия этих высокоэнергетических столкновений приводят к образованию тяжелых элементов, таких как золото. Действительно, сливающиеся нейтронные звезды являются уникальными объектами для изучения свойств материи при плотностях, значительно превышающих те, которые наблюдаются в атомных ядрах.
Новый метод был применен к первому и единственному на данный момент наблюдению слияний двойных нейтронных звезд с помощью нескольких посланников. В этом событии, обнаруженном 17 августа 2017 года, последние несколько тысяч оборотов звезд вокруг друг друга достаточно искривили пространство-время, чтобы создать гравитационные волны, которые были обнаружены земными гравитационно-волновыми обсерваториями Advanced LIGO и Advanced Virgo. Когда две звезды слились, образовавшиеся тяжелые элементы были выброшены.
Некоторые из этих элементов радиоактивно распались, что привело к повышению температуры. Вызванный этим тепловым излучением оптический, инфракрасный и ультрафиолетовый сигнал был обнаружен в течение двух недель после столкновения. Гамма-всплеск, также вызванный слиянием нейтронных звезд, выбросил дополнительный материал. Реакция вещества нейтронной звезды с окружающей средой привела к появлению рентгеновских лучей и радиоизлучения, которые можно было отслеживать во временных масштабах от дней до лет.
Более точные результаты для будущих обнаружений
Детекторы гравитационных волн в настоящее время проводят четвертый наблюдательный цикл. Следующее обнаружение слияния нейтронных звезд может произойти в любой день, и исследователи с нетерпением ждут возможности использовать разработанный ими инструмент.
Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Информация от: Обществом Макса Планка
