Когда звезды достигают конца своего жизненного цикла, они теряют свои внешние слои, образуя сверхновую. То, что осталось, — это нейтронная звезда, звездный остаток, невероятно плотный, несмотря на то, что он относительно небольшой и холодный. Когда это происходит в двойных системах, образующиеся нейтронные звезды в конечном итоге сворачиваются внутрь и сталкиваются. Когда они наконец сливаются, этот процесс вызывает высвобождение гравитационных волн и может привести к образованию черной дыры. Но то, что происходит, когда нейтронные звезды начинают сливаться, вплоть до квантового уровня, — это то, о чем ученые хотят узнать больше.
Когда звезды начинают сливаться, возникают очень высокие температуры, создавая «горячие нейтрино», которые остаются вне равновесия с холодными ядрами сливающихся звезд. Обычно эти крошечные безмассовые частицы взаимодействуют с обычной материей только посредством слабых ядерных сил и, возможно, гравитации. Однако, согласно новому моделированию, проведенному физиками Пенсильванского государственного университета (PSU), эти нейтрино могут в это время слабо взаимодействовать с обычной материей. Эти результаты могут привести к новому пониманию этих мощных событий.
Исследование возглавил Педро Луис Эспино, постдокторант из Пенсильванского университета и Калифорнийского университета в Беркли. К нему присоединились коллеги-астрофизики из ПГУ, Института теоретической физики Йенского университета имени Фридриха Шиллера, Университета Трента и Института фундаментальной физики и приложений Тренто (INFN-TIFPA). Статья с описанием их моделирования «Захват нейтрино и эффекты выхода из равновесия в остатках слияния двойных нейтронных звезд» недавно появилась в журнале. Письма о физических обзорах.
Гравитационные волны (ГВ), первоначально предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна, по существу представляют собой рябь в пространстве-времени, вызванную коллапсом звезд или слиянием компактных объектов (таких как нейтронные звезды и черные дыры). Нейтронные звезды названы так потому, что их невероятная плотность объединяет протоны и электроны вместе, создавая звездные остатки, почти полностью состоящие из нейтронов. В течение многих лет астрономы изучали события GW, чтобы узнать больше о двойных компаньонах и о том, что происходит в момент их слияния. Саид Педро Луис Эспино, постдокторант из Пенсильванского университета и Калифорнийского университета в Беркли, объяснил в пресс-релизе штата Пенсильвания:
«Впервые в 2017 году мы наблюдали здесь, на Земле, сигналы различного рода, в том числе гравитационные волны, от слияния двойной нейтронной звезды. Это привело к огромному всплеску интереса к астрофизике двойных нейтронных звезд. Невозможно воспроизвести эти события в лаборатории и изучить их экспериментально, поэтому лучший способ понять, что происходит во время слияния двойных нейтронных звезд, — это моделирование, основанное на математике, вытекающей из общей теории относительности Эйнштейна».
Хотя нейтронные звезды по сути холодные, во время слияния они могут стать очень горячими, особенно на границе раздела (точка, где две звезды вступают в контакт). В этом регионе температура может достигать триллионов градусов по Кельвину, но плотность звезд не позволяет фотонам улетучиваться и рассеивать тепло. По словам Дэвида Радиса, доцента кафедры астрономии и астрофизики в Научном колледже Эберли в Пенсильванском университете и одного из руководителей группы, это тепло может рассеиваться нейтрино, которые образуются во время столкновения, когда нейтроны разбиваются с образованием протонов. электроны и нейтрино.
«Период, когда сливающиеся звезды выходят из равновесия, составляет всего 2–3 миллисекунды, но, как и температура, время здесь относительно: период обращения двух звезд перед слиянием может составлять всего одну миллисекунду», — сказал он. «На этой короткой фазе выхода из равновесия происходит самая интересная физика: как только система возвращается в равновесие, физика становится лучше понятной».
Чтобы исследовать это, исследовательская группа создала суперкомпьютерное моделирование, моделирующее слияние и связанную с ним физику двойных нейтронных звезд. Их моделирование показало, что даже нейтрино могут быть захвачены теплом и плотностью слияния, что горячие нейтрино находятся вне равновесия с еще холодными ядрами и могут взаимодействовать с веществом звезд. Более того, их моделирование показывает, что физические условия, существующие во время слияния, могут повлиять на результирующие сигналы GW. Сказал Эспино:
«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 будут выглядеть электромагнитные и гравитационные волновые сигналы слияния, когда они достигнут нас здесь. на земле. Детекторы гравитационных волн следующего поколения могут быть разработаны для поиска подобных различий в сигналах. Таким образом, эти симуляции играют решающую роль, позволяя нам получить представление об этих экстремальных событиях, одновременно информируя будущие эксперименты и наблюдения в своего рода контуре обратной связи».
Это, безусловно, хорошая новость для гравитационно-волновой астрономии и для ученых, надеющихся использовать события ГВ для исследования недр нейтронных звезд. Знание условий, присутствующих во время слияний, на основе типа производимых сигналов GW также может дать новое понимание сверхновых, гамма-всплесков, быстрых радиовсплесков и природы темной материи.
Дальнейшее чтение: блок питания, Письма о физических отзывах
