Рис. 1. Моделирование эволюции двойной системы и образования магнитного поля. «Моментальные снимки» в верхнем ряду соответствуют временам t = 7,4 мсек (слияние двух нейтронных звезд) и 13,8 мсек (гравитационный коллапс и рождение черной дыры); в нижнем — 15,26 и 26,5 мсек (эволюция после образования черной дыры); зеленым цветом показаны силовые линии формирующегося магнитного поля вращающегося плазменного тороида (его внешний и внутренний радиусы составляют 170 и 90 км, радиус горизонта событий дыры приблизительно равен 9 км), белый цветом — магнитного поля черной дыры. Хорошо видно (четвертое изображение), что вблизи дыры белые линии вытянуты вдоль ее оси вращения, то есть магнитное поле имеет полоидальную структуру. Изображение из обсуждаемой статьи

Международная группа астрофизиков с помощью компьютерного моделирования показала, что столкновение двух достаточно массивных нейтронных звезд приводит к рождению вращающейся черной дыры, окруженной сверхсильным магнитным полем, содержащим тороидальную и полоидальную компоненты. Подобная конфигурация магнитных полей способствует формированию релятивистских джетов — струй заряженных частиц, вылетающих из полярных областей дыры почти со световой скоростью. Есть серьезные основания считать, что именно такие джеты генерируют доходящие до Земли вспышки гамма-излучения особо высокой мощности — гамма-всплески.

Подобная конфигурация магнитных полей способствует формированию релятивистских джетов, струй заряженных частиц, вылетающих из полярных областей дыры почти со световой скоростью.

В недавней заметке о нестандартном гамма-всплеске я упомянул новую работу американских и европейских астрофизиков, в которой представлены результаты компьютерного моделирования процесса столкновения двух намагниченных нейтронных звезд (для краткости, НЗ) Тогда я ограничился несколькими фразами, тем более что журнальная версия статьи профессора Лучиано Реццоллы (Luciano Rezzolla) из потсдамского Института физики тяготения Макса Планка, сотрудника Мэрилендского университета и Годдардовского центра космических полетов НАСА Бруно Джакомаццо (Bruno Giacomazzo) и их коллег еще не была опубликована. Теперь их работа появилась в выпуске The Astrophysical Journal Letters от 1 мая, так что о ней можно рассказать подробней.

Для начала стоит полностью привести название статьи — «The Missing Link: Merging Neutron Stars Naturally Produce Jet-Like Structures And Can Power Short Gamma-Ray Bursts» («Недостающее звено: слияние нейтронных звезд естественным образом формирует джетоподобные структуры и может служить источником энергии коротких гамма-всплесков»). Выполненное авторами моделирование показало, что столкновение двух достаточно массивных НЗ приводит к рождению вращающейся черной дыры, окруженной сверхсильным магнитным полем, содержащим тороидальную и полоидальную компоненты (см. Toroidal and poloidal). Подобная конфигурация магнитных полей способствует формированию релятивистских джетов, струй заряженных частиц, вылетающих из полярных областей дыры почти со световой скоростью.

Такие джеты весьма и весьма интересуют астрофизиков. Есть серьезные основания считать, что именно они генерируют доходящие до Земли вспышки гамма-излучения особо высокой мощности — так называемые гамма-всплески. Если эти вспышки имеют секундную или субсекундную протяженность, всплески называют короткими.

Происхождение всплесков этого типа окончательно не выяснено и по сей день. Однако наиболее общепринятая модель связывает их рождение со столкновениями сверхкомпактных космических объектов, черных дыр или нейтронных звезд. Изначально эти объекты образуют двойные системы, которые интенсивно излучают гравитационные волны и потому быстро теряют энергию. В результате космические компаньоны сближаются по стягивающимся спиральным траекториям и в конце концов сталкиваются друг с другом. В настоящее время ведется работа над интерферометрическими детекторами гравитационного излучения, которые будут достаточно чувствительны для того, чтобы ежегодно регистрировать десятки или даже сотни таких событий. Предполагается, что данные с новых детекторов начнут поступать уже в 2014 году.

Первые гипотезы, объясняющие генерацию коротких гамма-всплесков в терминах столкновений космических компактов, были высказаны еще в 1980-е годы. В прошедшем десятилетии несколько исследовательских групп детально просчитали этот процесс на суперкомпьютерах, уделив особое внимание слиянию нейтронных звезд, обладающих большим угловым моментом. Согласно доминирующему сценарию, основанному на результатах этих симуляций, такое слияние приводит к возникновению быстро вращающейся черной дыры, у которой отношение момента вращения J к квадрату массы M² приближается к единице (конкретно, лежит в диапазоне 0,7–0,8). Дыру окружает плазменное облако тороидальной формы, масса которого не превышает 40% солнечной массы.

Поскольку плазма обязана аккретировать на черную дыру, и, как принято считать, такая аккреция при определенных условиях способна рождать релятивистские джеты с характерным временем генерации от ста до тысячи миллисекунд, такой сценарий в принципе объясняет возникновение коротких гамма-всплесков. Однако не более, чем «в принципе», поскольку все эти симуляции всё же не смогли убедительно продемонстрировать возможность рождения джетов. В новой работе впервые показано, что слияние пары умеренно намагниченных НЗ действительно создает условия для возникновения именно тех джетов, которые теоретически требуются для генерации коротких гамма-всплесков.

Профессор Реццолла и его соавторы рассмотрели последнюю стадию совместного существования пары одинаковых НЗ с гравитационной массой в полторы массы Солнца и экваториальным радиусом 13,6 км. В начале симуляции их центры удалены друг от друга приблизительно на 45 км. Каждая звезда обладает полоидальным магнитным полем с максимальной напряженностью 10¹² гаусс. Для упрощения вычислений авторы предположили, что в начальный момент звёзды обращаются вокруг общего центра инерции по круговым орбитам, однако немедленно начинают сближаться из-за излучения гравитационных волн.

Далее уже работала симуляция, проведенная в Германии на компьютерном комплексе Damiana, принадлежащем Институту имени Альберта Эйнштейна. Она охватила только процессы, имеющие место в течение 35 миллисекунд после начального момента, причем даже на это компьютеру потребовалось около семи недель. Для нее были использованы весьма сложные коды, способные совместно обработать уравнения общей теории относительности и релятивистской магнитной гидродинамики; их совместно написали два первых автора статьи, Реццолла и Джанкоммаццо.

Вот основные результаты моделирования. Нейтронные звезды успевают сделать друг вокруг друга лишь три оборота, на что требуется 7,4 миллисекунды. Затем они сталкиваются и сливаются, образуя быстро вращающуюся гипермассивную НЗ, чья масса втрое превышает массу Солнца (причем ее вращение дифференциально в том смысле, что угловая скорость зависит от широты). Эта звезда, как и ее предшественники, интенсивно излучает гравитационные волны и, как следствие, быстро теряет угловой момент. По этой причине ее жизнь оказывается очень недолгой, всего несколько миллисекунд. На 14-й миллисекунде она претерпевает гравитационный коллапс и дает начало черной дыре с массой 2,91 массы Солнца и отношением J/M² = 0,81. Вокруг дыры формируется бублик из очень плотной и горячей плазмы. Его начальная масса составляет 0,063 солнечной массы, а внешний и внутренний радиусы соответственно 170 и 90 км (радиус горизонта событий дыры приблизительно равен 9 км).

Проведенная симуляция позволила оценить плотность вещества плазменного тороида (в максимуме — 10¹¹ г/см³) и его температуру (10¹⁰ К). Скорость аккреции плазмы на горизонт событий черной дыры достигает одной пятой массы Солнца в секунду. Отсюда следует, что процесс аккреции занимает всего 0,3 секунды, и по истечении этого времени плазменное облако практически полностью исчезает. Поскольку аккреция запускает генерацию релятивистских джетов, продолжительность их существования равна тем же 300 миллисекундам. Как показывают астрономические наблюдения, такова же средняя протяженность коротких гамма-всплесков.

На рис. 1 представлены четыре «моментальные снимка» этого процесса, соответствующие временам t = 7,4 и 13,8 мсек (верхний ряд) и 15,26 и 26,5 мсек (нижний ряд). На двух изображениях нижнего ряда также представлено формирование магнитного поля вращающегося плазменного тороида (его силовые линии даны зеленым цветом) и магнитного поля черной дыры (белый цвет). Хорошо видно (см. четвертое изображение), что вблизи дыры белые линии вытянуты вдоль ее оси вращения, то есть магнитное поле имеет полоидальную структуру. Тем самым оно создает две расширяющиеся горловины, через которые и выбрасываются релятивистские джеты.

Рис. 2. Эволюция магнитного поля. В левом верхнем углу — сильно турбулентное магнитное поле промежуточной гипермассивной НЗ (t = 13,8 мсек). На трех других изображениях, которые соответствуют временам t = 15,26, 21,2 и 26,5 мсек, хорошо видно формирование тороидального и полоидального полей новорожденной черной дыры. Изображение из обсуждаемой статьи

В телефонном разговоре Бруно Джакомаццо отметил, что этот результат получен впервые. Более ранние симуляции столкновения намагниченных НЗ либо не давали его вовсе, либо просчитывали только для нереалистичных начальных условий. Более детально эволюция магнитного поля показана на рис. 2. Первое изображение (в левом верхнем углу) представляет сильно турбулентное магнитное поле промежуточной гипермассивной НЗ. На втором, третьем и четвертом изображениях, которые соответствуют временам t = 15,26, 21,2 и 26,5 мсек, хорошо видно формирование тороидального и полоидального полей новорожденной черной дыры. Симуляция также показала, что напряженность как тороидального, так и полоидального поля в конечной фазе по порядку величины составляет 10¹⁵ Гс, то есть в тысячу раз больше полей сталкивающихся НЗ. Для сравнения стоит отметить, что максимальная напряженность поля магнетаров — быстро вращающихся НЗ со сверхсильной намагниченностью — составляет 10¹⁴ Гс.

Бруно Джакоммаццо подчеркнул, что выполненная его группой симуляция не дошла до моделирования процесса формирования сильно коллимированных (см. Collimated light) ультрарелятивистских джетов, которые, как считается, ответственны за генерацию коротких гамма-всплесков. Для выполнения этой задачи придется создать новые расчетные коды с более высоким разрешением. Работа в этом направлении уже ведется.

Источник: Luciano Rezzolla, Bruno Giacomazzo, Luca Baiotti, Jonathan Granot, Chryssa Kouveliotou, Miguel A. Aloy. The Missing Link: Merging Neutron Stars Naturally Produce Jet-Like Structures And Can Power Short Gamma-Ray Bursts // The Astrophysical Journal Letters. 2011. V. 732. Number 1.