Всього одне злиття нейтронних зірок і п'ять неймовірних питань

17 серпня Землі досягли світлові, так і гравітаційно-хвильові сигнали злиття нейтронних зірок. Вперше в історії пара сигналів була зареєстрована людьми. Фаза спірального кружляння спостерігалася детекторами LIGO і Virgo протягом 30 секунд — в 100 разів довше, ніж попередні гравітаційно-хвильові сигнали. Також цей сигнал став самим найближчим з усіх, що ми бачили, всього в 130 мільйонах світлових років від нас. У той час як обсерваторії витягували з сигналів величезну кількість інформації, виникла нова задача: привести все це до теоретичної свідомості.

Умовно кажучи, ми почули дзвін, але не знаємо, де він.

Ітан Зігель сіл з Крісом Фрайром з Національної лабораторії Лос-Аламоса, фахівцем з наднових, нейтронних зірок і гамма-променевим сплесків, який працює над теоретичною стороною цих об'єктів і подій. Ніхто не очікував, що LIGO і Virgo зможуть зареєструвати злиття на такому ранньому етапі проекту, всього через два роки після першої успішної реєстрації і задовго до досягнення запланованої чутливості. Але вони не тільки побачили сигнали, але і змогли точно визначити їх джерело, місце злиття, що принесло нам купу сюрпризів.

Ось п'ять найбільш великих нових питань, які піднімає відкриття.

Як часто протікають злиття нейтронних зірок?

До того як ми спостерігали цю подію, у нас було два способи оцінки частоти злиття нейтронних дірок: вимірювання подвійних нейтронних зірок в нашій галактиці (як від пульсарів) і наші теоретичні моделі утворення зірок, наднових і їх останків. Все це дає нам оцінку — близько 100 таких об'єднань відбувається щорічно в межах кубічного гигапарсека космосу.

Спостереження нового події забезпечило нам першу побачену оцінку частоти сяйв, і вона в десять разів більше очікуваного. Ми думали, що нам знадобиться LIGO, що досягла межі чутливість (зараз вона на півдорозі), щоб побачити хоч щось, а потім ще і три додаткових детектора для точного визначення місця. А нам вдалося не тільки рано побачити його, але і локалізувати з першої ж спроби. Отже, питання: нам просто пощастило побачити це подія або ж частота таких дійсно набагато вище, ніж ми думали? Якщо вище, ніж тоді помилкові наші теоретичні моделі? В наступному році LIGO піде на модернізацію, і в теоретиків буде трохи часу розкинути мізками.

Що змушує речовина викидатися в процесі злиття в такій кількості?

Наші найкращі теоретичні моделі передбачали, що злиття зірок на зразок цього супроводжуватиметься яскравим світловим сигналом в ультрафіолетовій і оптичної частинах спектра протягом дня, а потім буде тьмяніти і зникати. Але замість цього сяйво протримався два дні, перш ніж почало тьмяніти, і у нас, звичайно, з'явилися питання. Яскраве світіння, яке протримався так довго, свідчить про те, що вітру диску навколо зірок викинули 30-40 мас Юпітера у вигляді речовини. За нашими даними, речовини мало бути менше вдвічі або навіть у вісім разів.

Що ж такого незвичайного в цих викидах? Щоб змоделювати таке злиття, потрібно включити багато різної фізики:

• гідродинаміку
• У
• магнітні поля
• рівняння стану матерії при ядерних густинах
• взаємодії з нейтрино

...і багато іншого. Різні коди моделюють ці компоненти з різними рівнями складності, і ми не знаємо напевно, який із компонентів несе відповідальність за ці вітри і викиди. Знайти потрібний — проблема для теоретиків, і нам доводиться миритися з тим, що ми вперше виміряли злиття нейтронних зірок... і отримали сюрприз.

В останні моменти злиття дві нейтронних зірок не тільки випускають гравітаційні хвилі, але і катастрофічний вибух, який луною прокочується по всьому електромагнітного спектру. І якщо продуктом буде нейтронна зірка, чорна діра або щось екзотичне середня, перехідний стан, нам поки невідомо

Справило це злиття надмасивну нейтронну зірку?

Щоб отримати достатньо втраченої маси від злиття нейтронних зірок, потрібно, щоб продукт цього злиття згенерував достатньо енергії відповідного типу, щоб здути цю масу з навколишнього зірки диска. Грунтуючись на спостережуваному гравітаційно-хвильовому сигналі, ми можемо сказати, що це злиття створило об'єкт масою 2,74 сонячних, що значно перевищує максимум сонячної маси, який може бути у невращающейся нейтронної зірки. Тобто, якщо ядерна матерія поводиться так, як від неї очікуємо, злиття двох нейтронних зірок повинно було привести до появи чорної діри.

Нейтронна зірка — одне з найбільш щільних зборів речовини у Всесвіті, однак у її маси є верхня межа. Превысьте його — і нейтронна зірка знову колапсує з утворенням чорної діри

Якщо б ядро цього об'єкта після злиття негайно стислося до чорної діри, ніякого викиду б не було. Якщо б замість цього воно стало надмасивної нейтронної зіркою, то повинно було б обертатися надзвичайно швидко, оскільки великий кутовий момент збільшив би максимальний межа маси на 10-15%. Проблема в тому, що якщо б ми отримали так швидко обертається надмасивну нейтронну зірку, вона повинна була б стати магнетаром з надзвичайно потужним магнітним полем, у квадрильйон разів більш потужним, ніж поля на поверхні Землі. Але магнетары швидко перестають обертатися і повинні коллапсировать в чорну діру через 50 мілісекунд; наші ж спостереження за магнітними полями,в'язкістю і нагрівом, які викинули масу, показують, що об'єкт існував сотні мілісекунд.

щось тут не так. Або у нас швидко обертається нейтронна зірка, яка з якоїсь причини не є магнетаром, або у нас будуть викиди на сотні мілісекунд, і наша фізика не дає нам відповідь. При цьому, нехай навіть ненадовго, швидше за все, у нас була надмасивна нейтронна зірка, а за нею і чорна діра. Якщо обидва варіанти вірні, ми маємо справу із масивної нейтронної зіркою і самої маломассивной чорною дірою за всю історію спостережень!

Якщо ці нейтронні зірки були б більш масивними, було б злиття невидимим?

Існує межа того, наскільки масивними можуть бути нейтронні зірки, і якщо додавати і додавати маси, вийде якраз чорна діра. Ця межа в 2,5 сонячних мас для необертових нейтронних зірок означає, що якщо загальна маса злиття буде нижче, ви майже напевно залишитеся з нейтронної зіркою після злиття, що призведе до сильних і довгим ультрафіолетових та оптичних сигналів, які ми бачили в даному випадку. З іншого боку, якщо піднятися вище 2,9 сонячних мас, відразу після злиття сформується чорна діра, цілком ймовірно — без ультрафіолетових і оптичних супроводів.

Так чи інакше, наше найперше злиття нейтронних зірок виявилося саме в середині цього діапазону, коли може з'явитися надмасивна нейтронна зірка, що створює викиди і оптичні і ультрафіолетові сигнали протягом короткого часу. Утворюються чи магнетары при менш масивних злиття? А більш масивні — відразу приходять до чорних дірок і залишаються невидимими на цих довжинах хвиль? Наскільки рідкісні або поширені три категорії цих злиття: звичайні нейтронні зірки, надмасивні нейтронні зірки і чорні діри? Через рік LIGO і Virgo займуться пошуками відповідей на ці питання, а у теоретиків буде саме рік, щоб привести свої моделі у відповідність з прогнозами.

Що призводить до того, що гамма-променеві такі яскраві сплески в багатьох напрямках, а не в конусі?

Це питання досить складне. З одного боку, відкриття підтвердило те, що давно підозрювали, але ніяк не могли довести: що зливаються нейтронні зірки продукують гама-променеві сплески. Але ми завжди вважали, що гамма-променеві сплески випускають гамма-промені тільки у вузькій конусоподібної форми, 10-15 градусів в діаметрі. Тепер же ми знаємо, з положення злиття і величини гравітаційних хвиль, що гамма-променеві сплески йдуть на 30 градусів від нашої лінії візування, але ми при цьому спостерігаємо потужний гамма-променевої сигнал.

Природа гамма-променевих сплесків повинна змінитися. Завдання теоретиків полягає в тому, щоб пояснити, чому фізика цих об'єктів настільки відрізняється від передбаченої нашими моделями.

Окремим рядком: наскільки непрозорі/прозорі важкі елементи?

Коли справа доходить до самих важких елементів періодичної таблиці, ми знаємо, що вони зроблені здебільшого не надновими, а саме злиттями чорних дір. Але щоб отримати спектри важких елементів з відстані в 100 мільйонів світлових років, потрібно розуміти їх прозорість. Сюди входить розуміння атомних фізичних переходів електронів на орбіталях атома в астрономічній обстановці. Вперше у нас є середовище для перевірки того, як астрономія перетинається з атомною фізикою, і подальші спостереження злиттів повинні дозволити нам відповісти на питання про непрозорість і прозорості в тому числі.

Цілком можливо, що злиття нейтронних зірок відбувається постійно, а коли LIGO досягне запланованого рівня чутливості, ми будемо знаходити десятки злиттів в рік. Також можливо, що ця подія було вкрай рідкісним і нам пощастить бачити лише по одному за рік навіть після оновлення установок. Наступні десять років фізики-теоретики витратять на пошук відповідей на вище описані питання.

Майбутнє астрономії лежить перед нами. Гравітаційні хвилі — це новий, абсолютно незалежний спосіб дослідження неба, і зіставляючи небо з гравітаційними хвилями з традиційними астрономічними картами, ми готові відповісти на питання, які не насмілювалися поставити ще тиждень тому.