Астрономы до сих пор не видели столкновения между черной дырой и нейтронной звездой, но они предсказывают, что такое столкновение высвободит огромное количество энергии, но, неожиданно, может не генерировать никакого обнаруживаемого света, говорится в новом исследовании.
Эти результаты показывают, как ключевые параметры слияния черных дыр и нейтронных звезд, такие как количество обнаруживаемого света и масса сталкивающихся объектов, могут пролить свет на факторы, способствующие слиянию, такие как динамика, которая привела к этим столкновениям.
И черные дыры, и нейтронные звезды — это «трупы» звезд, погибших в катастрофических взрывах, известных как сверхновые, вспышки, которые могут заставить звезду ненадолго затмить все другие звезды в галактике. Когда звезда становится сверхновой, ее ядро сжимается под действием силы собственного гравитационного притяжения. Если этот остаток достаточно массивен, он может образовать черную дыру, гравитация которой настолько сильна, что даже свет не может вырваться из нее. Менее массивное ядро образует нейтронную звезду, названную так потому, что ее гравитация достаточно сильна, чтобы раздавить протоны вместе с электронами, образуя нейтроны.
До сих пор ученые были свидетелями слияния черных дыр с другими черными дырами и слияния нейтронных звезд с другими нейтронными звездами. Астрономы теперь ждут первого обнаружения черной дыры сливающейся с нейтронной звездой, — столкновения, которое может дать кладезь идей относительно эволюции звезд и общей теории относительности Эйнштейна, лучшего описания того, как работает гравитация.
У исследователей есть два способа наблюдать эти гигантские слияния. Они могут искать свет или электромагнитное излучение, которые излучают столкновения, включая радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские и гамма-лучи. Или же они могут попытаться обнаружить рябь в ткани пространства и времени, известную как гравитационные волны.
В настоящее время ученые имеют прочную теоретическую основу того, как могло бы выглядеть слияние между нейтронной звездой и черной дырой, если бы два объекта были рождены из двойных звезд (пар звезд, которые вращаются друг вокруг друга) в относительной изоляции от всего остального вокруг них.
«Две звезды проходят через свои эволюционные стадии, оказывая влияние друг на друга — например, разделяя общую оболочку [облако газа], перенося материю от одной к другой [и] увеличивая или уменьшая свои взаимные расстояния», — сказал автор исследования Мануэль Арка Седда, астрофизик из Гейдельбергского университета в Германии.
Предыдущие исследования показали, что слияния черных дыр и нейтронных звезд могут происходить до 100 раз в год на миллиард кубических парсеков объема, эквивалентного примерно 34,7 миллиарда кубических световых лет.
Однако многое остается неясным относительно того, как эти мертвые звезды могут взаимодействовать, когда они окружены звездами в плотном скоплении — до миллионов звезд. Теперь Арка Седда считает, что этот сценарий может существенно отличаться от изолированных слияний.
Арка Седда провел 240 000 компьютерных симуляций поведения пар нейтронных звезд и черных дыр в плотных скоплениях. Он сосредоточился на сценариях, в которых двойная пара, состоящая из нейтронной звезды и звезды-компаньона, столкнулась с черной дырой, а черная дыра и звезда-компаньон столкнулись с нейтронной звездой. Он варьировал массы и орбиты всех этих объектов, а также основные свойства других звезд в скоплении, такие как их элементный состав и скорость.
Одно из необычных открытий состояло в том, что в плотных скоплениях черная дыра и нейтронная звезда могут сливаться, не порождая никакого видимого света, хотя это слияние все равно породит необычайное количество гравитационных волн. Это может произойти, когда нейтронная звезда погружается в черную дыру, не превращаясь в горячие, яркие клочки. Такой сценарий проще, когда черная дыра более чем в 10 раз больше массы Солнца — достаточно большая, чтобы поглотить нейтронную звезду.
Еще одним отличием этих слияний внутри плотных скоплений от изолированных является то, что они часто обладают более тяжелыми черными дырами, которые в среднем более чем в 20 раз превышают массу Солнца. Для сравнения, в изолированных слияниях между черными дырами и нейтронными звездами масса черной дыры часто имеют массу примерно в семь раз больше массы Солнца, но не более 20. Эти данные подробно описаны в отдельном исследовании, опубликованному в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в 2018 году.
Также исследование показывает, что если бы слияния между черными дырами и нейтронными звездами происходили в плотных скоплениях, они обладали бы уникальными свойствами, которые ученые могли бы использовать, чтобы отличить эти слияния от изолированных, отмечается в исследовании.
Гравитационно-волновые обсерватории, такие как миссия Европейского космического агентства «Лазерная интерферометрическая космическая антенна» (LISA), запуск которой запланирован на 2034 год, могут обнаружить такие слияния в плотных скоплениях, если они происходят примерно на таком же расстоянии от Земли, как галактика Андромеда — ближайший галактический сосед Млечного Пути. В будущем, более продвинутые гравитационно-волновые обсерватории смогут обнаруживать более близкие слияния.
В будущем Арка Седда планирует смоделировать тяжелое звездное скопление с примерно несколькими миллионами звезд, «учитывая все звезды одновременно и проверяя слияний нейтронной звезды и черной дыры», сказал он. Однако он отметил, что это будет масштабное начинание.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение