Объемное представление плотности при моделировании слияния двух нейтронных звезд. Новое исследование показывает, что нейтрино, образующиеся на горячей границе раздела сливающихся звезд, могут быть кратковременно захвачены и находятся в дисбалансе с холодными ядрами сливающихся звезд на 2–3 миллисекунды. Фото предоставлено: Дэвид Рэдис, Пенсильвания
Когда звезды коллапсируют, они могут оставить после себя невероятно плотные, но относительно небольшие и холодные остатки, называемые нейтронными звездами. Когда две звезды коллапсируют в непосредственной близости, оставшиеся нейтронные звезды вращаются по спирали и в конечном итоге сталкиваются друг с другом. Интерфейс, где две звезды начинают сливаться, становится невероятно горячим.
Новое моделирование этих событий показывает, что горячие нейтрино — крошечные, по существу безмассовые частицы, которые почти не взаимодействуют с другой материей — созданные во время столкновения, могут быть ненадолго захвачены этими границами раздела и выведены из равновесия с холодными на 2–3 миллисекунды ядрами сливающегося вещества. звезды. Моделирование показывает, что в течение этого времени нейтрино могут слабо взаимодействовать с материей в звездах, помогая вернуть частицы в баланс и обеспечивая новое понимание физики этих мощных событий.
Статья, описывающая моделирование, проведенное исследовательской группой под руководством физиков штата Пенсильвания, появилась в журнале Physical Reviews Letters.
«Впервые в 2017 году мы наблюдали сигналы различного рода здесь, на Земле, включая гравитационные волны, возникающие в результате слияния двух нейтронных звезд», — сказал Педро Луис Эспино, постдокторант из Университета штата Пенсильвания и Калифорнийского университета в Беркли, который руководил исследованием.
«Это привело к огромному росту интереса к астрофизике двойных нейтронных звезд. Не существует возможности воспроизвести эти события в лаборатории и изучить их экспериментально. Поэтому лучший способ понять, что происходит во время слияний двойных нейтронных звезд, — это исследование моделирование, основанное на математике, вытекающей из общей теории относительности Эйнштейна».
Нейтронные звезды получили свое название потому, что считается, что они почти полностью состоят из нейтронов — незаряженных частиц, которые в сочетании с положительно заряженными протонами и отрицательно заряженными электронами образуют атомы. Их невероятная плотность (только черные дыры меньше и плотнее) вероятно приводит к тому, что протоны и электроны сжимаются вместе и сливаются, образуя нейтроны.
Типичная нейтронная звезда имеет диаметр всего несколько десятков километров, но примерно в полтора раза больше массы нашего Солнца, диаметр которого составляет около 1,4 миллиона километров. Чайная ложка материала нейтронной звезды может весить столько же, сколько гора — десятки или сотни миллионов тонн.
«Нейтронные звезды до слияния по существу холодные. Хотя их температура составляет миллиарды Кельвинов, из-за их невероятной плотности это тепло очень мало способствует энергии системы», — сказал Дэвид Радис, доцент кафедры физики, астрономии и астрофизики в Эберли-колледже Наука из Университета штата Пенсильвания и руководитель исследовательской группы.
«Когда они сталкиваются, они могут сильно нагреваться. Границы поверхности сталкивающихся звезд могут нагреваться до температуры в триллионы градусов Кельвина. Однако они настолько плотны, что фотоны не могут вырваться наружу, чтобы рассеять тепло. Вместо этого мы предполагаем, что они охлаждаются». за счет испускания нейтрино».
По мнению исследователей, нейтрино создаются во время столкновения, когда нейтроны в звездах сталкиваются и взрываются на протоны, электроны и нейтрино. Что происходит в эти первые мгновения после столкновения — открытый вопрос астрофизики.
Чтобы ответить на этот вопрос, исследовательская группа создала модели, требующие огромных вычислительных мощностей, и моделирует слияние двойных нейтронных звезд и всю связанную с ним физику. Моделирование впервые показало, что даже нейтрино могут быть захвачены, хотя и ненадолго, теплом и плотностью слияния. Горячие нейтрино не находятся в равновесии с еще холодными ядрами звезд и могут взаимодействовать с веществом звезд.
«Эти экстремальные явления раздвигают границы нашего физического понимания, и их изучение позволяет нам узнать новые вещи», — сказал Радиче.
«Период времени, в течение которого 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 1 миллисекунду. На этой короткой фазе» Наиболее интересные физические процессы происходят, когда система находится в равновесии. Как только система возвращается в равновесие, физика становится понятнее».
Исследователи объяснили, что точные физические взаимодействия, происходящие во время слияния, могут влиять на тип сигналов, которые можно наблюдать на Земле, когда происходят слияния двойных звезд.
«То, как нейтрино взаимодействуют с веществом звезд и в конечном итоге испускаются, может повлиять на вибрации слившихся остатков двух звезд, что, в свою очередь, может повлиять на то, как будут выглядеть сигналы электромагнитных и гравитационных волн слияния, когда они достигнут нас. Земля», — сказал Эспино.
«Детекторы гравитационных волн следующего поколения могут быть разработаны для поиска таких различий в сигналах. Таким образом, эти симуляции играют решающую роль, давая нам понимание этих экстремальных событий, а также информируя будущие эксперименты и наблюдения в своего рода контуре обратной связи».
Помимо Эспино и Радиче, в исследовательскую группу входят постдокторанты Питер Хаммонд и Росселла Гамба из штата Пенсильвания, Себастьяно Бернуцци, Франческо Заппа и Луис Фелипе Лонго Микки из Йенского университета имени Фридриха Шиллера в Германии, а также Альбино Перего из Университета Тренто в Германии. Италия.
Информация от: Университетом штата Пенсильвания.
