В свежей работе, опубликованной на днях в журнале в Astronomy & Astrophysics, учёные рассказали о месяцах наблюдений за взрывом после слияния двух нейтронных звёзд. Это как Большой взрыв в миниатюре, выяснили астрофизики, которые час за часом восстановили происходящие во время взрыва и после него процессы, включая рекомбинацию электронов с атомами и образование материи.

Художественное представление взрыва килоновой. Источник изображения: ESO

Уникальное событие удалось обнаружить и идентифицировать 17 августа 2017 года. Двумя неделями ранее начал работать третий детектор гравитационных волн — франко-итальянская обсерватория Virgo. В дополнение к двум детекторам американской гравитационно-волновой обсерватории LIGO, появление третьего детектора позволило с небывалой доселе точностью локализовать источник гравитационных волн. Так было зафиксировано событие GW170817 — гравитационно-волновой всплеск от слияния двух нейтронных звёзд.

Когда две нейтронные звезды слились, это привело к величайшему взрыву, что теперь принято называть килоновой. Энергия подобных взрывов может в 1000 раз превышать яркость взрыва обычных сверхновых. Это событие получило свой собственный индекс — AT2017gfo, хотя оно является производным от слияния нейтронных звёзд.

Благодаря быстрой локализации события и последующим наблюдениям за ним десятками наземных и космических обсерваторий во всех возможных диапазонах, удалось собрать множество данных, первое комплексное осмысление которых появляется лишь теперь, спустя семь лет после события. И целое оказывается невероятно познавательным, даже несмотря на то, что даже по первым результатам оно было признано прорывом в астрономических наблюдениях.

По признанию учёных, они практически наблюдали за событиями Большого взрыва в миниатюре. Сегодня мы регистрируем реликтовое излучение вокруг себя, а почасовое наблюдение за килоновой AT2017gfo позволило увидеть процессы до его появления, во время и после него. Учёные наблюдали, как из горячей плазмы, когда ещё не было никакой материи в месте взрыва килоновой, электроны начали объединяться с атомами (рекомбинировать) и образовывать нейтральные атомы — тяжёлые элементы, которые во Вселенной рождаются только во время подобных «энергичных» событий.

В послесвечении события AT2017gfo учёные обнаружили стронций и другие тяжёлые металлы. В звёздах энергии термоядерного синтеза хватает лишь на образование атомов железа. Во время взрыва килоновой температура поднялась до миллиардов градусов, что можно соотнести с температурой Большого взрыва, после которого также начали образовываться атомы тяжёлых металлов. Такого нельзя воспроизвести ни в одной земной лаборатории. И небесных лабораторий для наблюдений таких процессов пока не так много. Но событие AT2017gfo показало, что мы можем экспериментальным (наблюдательным) путём доказывать базовые теории рождения и эволюции Вселенной. И даже наблюдать «Большой взрыв» и его последствия.

Астрономы из Дании в ходе наблюдения за двойной рентгеновской системой обнаружили признаки рекордной характеристики у центрального партнёра — нейтронной звезды, вокруг которой вращается белый карлик. Одна из зарегистрированных термоядерных вспышек на объекте сопровождалась колебанием интенсивности на частоте 716 Гц. Это означает, что нейтронная звезда вращается вокруг своей оси с частотой 716 оборотов в секунду, что на сегодня является абсолютным рекордом.

NICER на МКС. Источник изображения: NASA

Двойная система 4U 1820-30 является одним из самых привлекательных кандидатов для наблюдения. Она удалена от Земли на 26 тыс. световых лет в направлении центра Млечного Пути и расположена в созвездии Стрельца. Белый карлик находится очень близко к нейтронной звезде и совершает один оборот вокруг неё за 11 минут. Диаметр нейтронной звезды составляет примерно 12 км, а её масса — в 1,4 раза больше солнечной. Такая система называется барстером. Нейтронная звезда перетягивает массу компаньона, а когда та накапливается до критического уровня, происходит термоядерный взрыв, сопровождающийся рентгеновской вспышкой.

За системой велось наблюдение рентгеновским телескопом NASA NICER, установленным на МКС. Группа DTU Space из Технического университета Дании создавала систему наведения для этого инструмента. Из 15 зарегистрированных термоядерных взрывов один указал на возможную скорость вращения нейтронной звезды — 716 оборотов в секунду. Ранее была обнаружена только одна нейтронная звезда с такой же скоростью вращения — радиопульсар PSR J1748−2446ad. Впрочем, рекордную скорость вращения 4U 1820-30 ещё предстоит подтвердить в будущих наблюдениях. Тем не менее полученные данные вносят ещё больше ясности в природу нейтронных звёзд.

Космический телескоп «Хаббл» сделал эффектный красочный снимок крупным планом двух близлежащих звёзд в созвездии Водолея, которые находились в тесном контакте на протяжении столетий. Космическая обсерватория продемонстрировала сложное взаимодействие звёздного дуэта.

Источник изображения: Hubble (NASA)

На новом изображении видна эффектная туманность в форме песочных часов, образовавшаяся в результате многовекового взаимодействия двух звёзд: компактного, оставшегося практически в неизменном виде белого карлика (горячая сгоревшая звезда) и его звезды-компаньона, холодного красного гиганта, который увеличился до размеров, превышающих размеры нашего Солнца более чем в 400 раз, и меняющего свою температуру и яркость 750 раз за период примерно в 390 земных дней.

Эта звёздная система, известная как R Aquarii (R Водолея), находится на расстоянии около 710 световых лет от Земли в созвездии Водолея. Она относится к симбиотическому классу переменных звёзд, что по аналогии с биологическим термином «симбиоз» означает сосуществование двух различных объектов — совершенно разных типов звёзд — в тесной близости друг к другу.

Белый карлик, вращаясь вокруг красного гиганта с орбитальным периодом в 44 года, в момент приближения сбрасывает вещество на его поверхность, время от времени взрываясь, как «гигантская водородная бомба». В результате этого взрыва в космос выбрасываются искривлённые потоки светящегося газа, которые, по описанию учёных, выглядят как «сошедший с ума садовый разбрызгиватель для поливки газона». Выброшенный материал устремляется в космос со скоростью более 1,6 миллиона километров в час. Для примера учёные приводят расстояния от Земли до Луны, которое преодолевается за 15 минут!

Процесс наглядно демонстрирует, как Вселенная перераспределяет продукты термоядерного синтеза, которые образуются глубоко внутри звёзд и выбрасываются обратно в космос. Причём некоторые из этих продуктов включают более тяжёлые элементы, такие как углерод, азот и кислород, являющиеся важнейшими строительными блоками планет, подобных нашей.

Будучи одной из ближайших симбиотических звёзд, R Водолея была тщательно изучена с помощью множества космических и наземных телескопов. Например, телескоп «Хаббл» начал наблюдать за ней вскоре после запуска на орбиту в 1990 году. Десять лет спустя рентгеновская обсерватория «Чандра» начала отслеживать изменения рентгеновского излучения туманности, главным образом излучаемого её узловатой струёй и ударными волнами, которые R Водолея генерирует при столкновении с окружающим веществом. На основании этих наблюдений астрономы предполагают, что последний раз извержения белого карлика произошли в конце 1970-х годов, и предположительно, следующий взрыв может произойти не ранее 2470 года.

Последний снимок звёздной системы, сделанный «Хабблом», показывает, что в результате воздействия мощных магнитных полей и силы самого взрыва выброшенный материал образовал спиральный узор и распространился на расстояние более 400 миллиардов километров, что в 24 раза превышает диаметр нашей Солнечной системы, и по мнению команды «Хаббла» «поистине невероятен даже по астрономическим меркам». Покадровые снимки R Водолея, сделанные за последние 10 лет, демонстрируют изменения яркости звёздной пары, вызванные сильными пульсациями красного гиганта, а также драматическую эволюцию окружающей туманности.

Группа физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда показала, что чрезвычайно лёгкие гипотетические частицы, известные как аксионы, могут возникать в виде больших облаков вокруг нейтронных звезд. В таком случае аксионы могли бы послужить объяснением неуловимой тёмной материи и, более того, их было бы не так уж трудно наблюдать.

Источник изображения: Университет Амстердама

Посвящённая аксионам у нейтронных звёзд работа была опубликована 17 октября в журнале Physical Review X. Она стала продолжением теоретического исследования природы аксионов, но в отличие от предыдущей работы, в которой авторы рассматривали вопрос излучения аксионов звездой, в новой работе даётся оценка аксионам, которые навсегда «зависли» у звезды.

Нейтронные звёзды создают вокруг себя и внутри настолько запредельные условия для материи, что там могут появляться редкие частицы, а материя проявляет фантастические свойства. В объект размерами 12–15 км вмещается вещество массой, равной массе Солнца. Динамо такого объекта вырабатывает чудовищное магнитное поле, а аксионы, как считается, в сильных магнитных полях превращаются в фотоны.

Аксионы предложены около 50 лет назад для устранения ряда нестыковок в физике элементарных частиц. На самом деле — это торговая марка стирального порошка (или мыла), что образно призвано «отмыть» недостатки наших знаний дочиста. В теории они очень и очень лёгкие и поэтому сложно наблюдаемые в природе или в лабораториях. Точнее, их ещё никто не наблюдал. Как обосновывают авторы работы, мы просто не знали, где их лучше всего искать. По мнению учёных, нейтронные звёзды — лучший объект для поиска аксионов.

При распаде на фотоны аксионы испускают слабый сигнал в силу своей запредельной лёгкости. Но вокруг нейтронной звезды за миллионы лет может скопиться такое невероятное облако аксионов, что оно будет излучать непрерывный и относительно легко детектируемый сигнал. Аксионы не будут падать на нейтронную звезду поголовно в силу их слабого взаимодействия с обычным веществом, поэтому аксионные облака могут являться непременным атрибутом абсолютно всех нейтронных звёзд.

Слабое взаимодействие аксионов с обычным веществом делает их неплохими кандидатами в тёмную материю. Согласно расчётам команды, облако аксионов у нейтронной звезды создаёт в локальном пространстве плотность, на двадцать порядков превышающую плотность тёмной материи. Наблюдение за облаками аксионов у нейтронных звёзд может открыть множество секретов в физике элементарных частиц и пролить свет на тёмную материю. Кстати, во время смерти нейтронной звезды облако аксионов может произвести характерную колоссальную вспышку, которую тоже можно наблюдать нашими инструментами.

Возможность существования аксионных облаков также открывает массу направлений в теоретической физике от моделирования динамики нейтронных звёзд с учётом их влияния до описания поведения самих облаков. Основы для необходимых расчётов и наблюдений уже заложены, но нужна дополнительная работа, включая численное моделирование.

Астрономы впервые в истории получили подробные изображения турбулентной активности на звезде, отличной от нашего Солнца. Покадровое видео, опубликованное 11 сентября, показывает огромные газовые пузыри размером в 75 раз больше Солнца, бурлящие на поверхности красного гиганта в созвездии Золотой Рыбы. Звезда R Золотой Рыбы (HD 29712) примерно в 300 раз больше нашего Солнца и находится в 200±9 световых годах от Земли.

Источник изображений: https://www.eso.org

Золотая Рыба (лат. Doradus) — созвездие южного полушария неба, содержащее 32 звезды, видимые невооружённым глазом. На территории России оно не наблюдается, а полная видимость созвездия возможна южнее широты +20 °. Золотую Рыбу всегда видно из таких городов, как Рио-де-Жанейро, Сан-Паулу, Сантьяго, Монтевидео, Буэнос-Айрес, Йоханнесбург, Сидней, Мельбурн.

Источник изображения: Википедия

Результаты научной деятельности астрономов были опубликованы в журнале Nature. «Поразительно, что теперь мы можем напрямую получать изображения деталей на поверхности звёзд, которые находятся так далеко, — заявил докторант шведского технологического университета Чалмерса и соавтор исследования Бехзад Боджноди Арбаб (Behzad Bojnodi Arbab). — Благодаря последним изображениям астрономы теперь могут наблюдать физику, которая до сих пор была в основном видна только на нашем Солнце».

Покадровое видео собрано из тщательно отобранных изображений поверхности звезды, которые были получены сетью чилийских радиотелескопов Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). На изображениях видны пузыри плазмы, приводимые в движение теплом, поднимающимся из ядра звезды.

«Первый раз кипящая поверхность настоящей звезды может быть показана таким образом, — утверждает профессор шведского технологического университета Чалмерса и ведущий автор исследования Воутер Влеммингс (Wouter Vlemmings). — Мы не ожидали, что данные будут настолько высокого качества, что мы сможем увидеть так много деталей конвекции на поверхности звезды»

Хотя R Золотой Рыбы значительно крупнее Солнца, массы звёзд сопоставимы. Поэтому члены исследовательской группы считают, что HD 29712 является наглядным примером того, как будет выглядеть Солнце примерно через пять миллиардов лет, когда оно войдёт в фазу красного гиганта, увеличившись до такой степени, что поглотит Меркурий и Венеру.

На основе последних снимков R Золотой Рыбы, сделанных с начала июля по август прошлого года, Влеммингс и его коллеги подсчитали, что плазменные пузыри звезды поднимаются и опускаются с месячным циклом, что быстрее, чем подобные явления на поверхности нашего Солнца. Учёные пока не могут дать ответ, в чём причина такой разницы. «Похоже, что конвекция меняется по мере старения звезды способами, которые мы пока не понимаем», — полагает Влеммингс.

Предыдущие наблюдения при помощи ALMA показали, что красный гигант HD 29712 вращается по крайней мере на два порядка быстрее, чем ожидалось для звезды такого типа. Команда Влеммингса в процессе исследований исключила возможность того, что высокая скорость вращения — это иллюзия, созданная кипящей поверхностью звезды. Подобная гипотеза была недавно выдвинута другой группой астрономов, изучающих Бетельгейзе, ещё один красный гигант в созвездии Ориона, который вращается в 100 раз быстрее, чем ожидалось.

Наука всё ещё блуждает в потёмках в поисках источника быстрых радиовсплесков (FRB), впервые открытых в 2007 году. За несколько миллисекунд что-то из глубин Вселенной посылает радиоимпульс мощностью, сравнимой с тремя днями солнечного излучения. У учёных есть мысли о происхождении всплесков и одна из гипотез получила хорошее подтверждение.

Источник изображения: Robert Lea / space.com

В журнале Nature группа астрономов опубликовала статью, в которой сообщила об обнаружении слабого источника радиосигнала из предполагаемого пространства одного из прежних всплесков: FRB 20201124A на удалении примерно 1,3 млрд световых лет от нас. Обнаружить слабый радиосигнал помог радиотелескоп Very Large Array в США. Радиосигнал исходит от слабосветящейся туманности в месте предполагаемого источника быстрого радиовсплеска.

Авторы исследования пояснили, что обнаруженное очень слабое радиоизлучение имеет связь с диапазонами излучения импульсов быстрых радиовсплесков. Это позволило учёным создать собственную «модель туманности», в недрах которой рождаются быстрые радиовсплески. В частности, предложенная модель предсказывает, что радиоизлучение пространства создаётся пузырём плазмы (ионизированного газа) с «двигателем» процесса в центре пузыря. За вспышки ответственность несёт «двигатель», а сами вспышки раздувают пузырь газа (плазмы) вокруг него.

«Открытие позволяет нам приписать происхождение быстрых радиовсплесков остаткам массивных звезд, — делают выводы учёные. — Наше открытие о непрерывном излучении, связанном с определённым FRB, позволяет нам лучше понять среду их источника, подразумевая, что центральный привод, производящий вспышки, также должен быть способен раздувать плазменный пузырь с помощью ветра [из заряженных частиц]».

«Лучшим кандидатом для объяснения этих свойств на данный момент является магнетар, чрезвычайно намагниченная нейтронная звезда», — заключают исследователи.

Магнетары являются частным случаем нейтронных звёзд — сжавшихся всего до 19 км ядер некогда гигантских умерших звёзд в 8 и более раз больше Солнца. Одна чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы 1 млрд тонн. За счёт уменьшения диаметра объекта, скорость нейтронных звёзд может достигать 700 об/с. Также физическое сжатие ядра приводит к невообразимому росту магнитного поля.

Это очень ценные объекты для изучения физики в экстремальных условиях, которые мы никогда не сможем повторить в лабораториях на Земле. Более того, изучение нейтронных звёзд может открыть путь к новой физике. Поэтому так важно понять или привязать быстрые радиовсплески к магнетарам или иным источникам, если таковые есть. А они могут быть! Некоторые быстрые радиовсплески повторяются — такое очень редко, но бывает. Учёные не исключают, что повторяющиеся FRB и разовые могут иметь разное происхождение.

Новое открытие позволяет ещё раз взглянуть на вероятные источники быстрых радиовсплесков для получения ранее пропущенных особенностей поведения пространства в радиодиапазоне в районе событий. Пузыри мёртвых звёзд оказались ценным следом, ведущим к магнетарам.

Группа японских астрофизиков обнаружила связь между разрушением углеводородной пыли и эволюцией галактик. Исследование, основанное на анализе данных 138 галактик, показало, что алифатические компоненты углеводородной пыли разрушаются быстрее в условиях сильного радиационного излучения и ударных волн, характерных для активных этапов жизни галактик.

Источник изображения: Copilot

Углеводородная пыль является одним из основных компонентов межзвёздной пыли и состоит преимущественно из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и алифатических углеводородов. Хотя учёные предполагают, что эта пыль подвергается воздействию межзвёздного излучения и ударных волн, детальные механизмы этих процессов до сих пор оставались не до конца изученными.

В ходе исследования, о котором сообщил портал Astrobiology.com, учёные из астрономического сообщества Японии проанализировали взаимосвязь между светимостью, излучаемой углеводородной пылью, и общей инфракрасной светимостью (LIR) для 138 галактик. Используя данные ближнего инфракрасного диапазона 2,5-5 мкм, полученные с помощью космического телескопа AKARI, они определили светимость ароматических углеводородов на длине волны 3,3 мкм (Laromatic) и алифатических углеводородов на длине волны 3,4-3,6 мкм (Laliphatic).

Кроме того, на основе данных фотометрии, произведённой телескопами AKARI, WISE и IRAS, были построены модели спектральных распределений энергии галактик, что позволило оценить их общую инфракрасную светимость и интенсивность радиационного поля.

Анализ показал, что галактики с более высокой инфракрасной светимостью демонстрируют более низкое соотношение светимостей алифатической и ароматической компонент. Также была обнаружена антикорреляция между этим соотношением и интенсивностью радиационного поля. Примечательно, что низкие значения наблюдались преимущественно в галактиках, находящихся в процессе слияния, что может говорить о том, что в таких галактиках алифатические компоненты разрушаются быстрее, чем ароматические.

Полученные результаты показали, что углеводородная пыль, предположительно, подвергается разложению под воздействием ударных волн и радиации в процессе слияния галактик, а соотношение светимостей алифатической и ароматической компонент, вероятно, уменьшается в подобных экстремальных межзвёздных условиях, поскольку алифатические компоненты химически слабее ароматических.

Исследование вносит важный вклад в понимание эволюции межзвёздной среды и процессов, происходящих в галактиках на разных стадиях их эволюции. Дальнейшие наблюдения и теоретические работы помогут уточнить механизмы обработки углеводородной пыли и их роль в эволюции галактик.

Европейский астрометрический спутник «Гайя» (Gaia) снова стал источником уникальных данных. Благодаря его наблюдениям впервые удалось обнаружить кандидатов в нейтронные звёзды на широких орбитах у звёзд, похожих на наше Солнце. В этом есть элемент чуда: обычные звёзды не должны были пережить взрывов сверхновых, оставивших после себя нейтронную звезду. Но это произошло, что снова ставит задачу перед теоретиками объяснить происходящее во Вселенной.

Художественное представление нейтронной звезды у солнцеподобной звезды. Источник изображения: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Открытие сделала международная команда астрономов во главе с учёными из США. В данных «Гайи» нашлась 21 нейтронная звезда, каждая из которых сидела в засаде на широкой орбите у своей собственной солнцеподобной звезды. Все кандидаты удалены от своих звёзд на расстояния, примерно в три раза превышающие расстояние от Солнца до Земли. Обнаружены они исключительно благодаря гравитационному воздействию на свои звёздные пары, заставляя их колебаться как более лёгких агентов.

«Это первые нейтронные звезды, открытые исключительно из-за их гравитационного воздействия», — поясняют учёные. «Гайя» смогла засечь эти колебания прежде всего из-за достаточной удалённости нейтронных звёзд от своих пар. Солнца совершают один оборот вокруг своих нейтронных партнёров за срок от шести месяцев до двух лет — такие колебания хорошо детектируются приборами «Гайи». Ранее нейтронные звёзды в двойных системах регистрировались только в тесных парах, когда сверхтяжёлые ядра умерших звёзд перетягивали вещество близкого соседа и поглощали его с выбросом энергии в рентгеновском и гамма-диапазоне. Новые «нейтронные» кандидаты в двойных системах с солнцами, сидели тихонечко и не отсвечивали.

«Открытие этих новых систем показывает, что, по крайней мере, некоторые двойные системы выживают в этих катастрофических процессах, хотя модели пока не могут полностью объяснить, как», — поясняют учёные. Впрочем, пока это считается крайне редким открытием. По подсчётам учёных, только одна солнцеподобная звезда из миллиона может получить в пару нейтронную звезду на широкой орбите.

Подобный метод обнаружения невидимых партнёров, а нейтронную звезду напрямую увидеть нельзя, учёные намерены использовать для обнаружения тихих чёрных дыр. Такие уже обнаружены, и даже довольно недалеко от Земли. В будущем учёные надеются открыть больше таких объектов, что также заставит потрудиться теоретиков.

Учёные всего мира надеются на космический телескоп «Джеймс Уэбб», чтобы ответить на многочисленные вопросы. Благодаря огромному сегментированному зеркалу и чувствительности к инфракрасному излучению «Уэбб» идеально подходит для изучения сверхдалёких галактик, экзопланет и звёздообразований.

Источник изображения: NASA / ESA / CSA

Группа астрономов из Лаборатории реактивного движения (JPL) под руководством Клауса Понтоппидана (Klaus Pontoppidan) опубликовала новые удивительные снимки звёздообразующего региона, сообщает ExtremeTech. Используя инструмент NIRCam телескопа Уэбб, команда сканировала туманность Змееносца, чтобы больше узнать о процессе звёздообразования. На снимках изображена группа молодых звёзд в туманности Змееносца, расположенного примерно в 1300 световых лет от Земли, извергающих струи газа, которые идеально выровнены в одном направлении.

«Астрономы давно предполагали, что при коллапсе облаков с образованием звёзд, они будут вращаться в одном направлении», — сказал Понтоппидан. «Однако мы никогда раньше этого не видели так явно. Эти выровненные вытянутые структуры по сути являются историческим открытием фундаментального процесса рождения звёзд», — добавил он.

Ярко-красные вытянутые структуры на снимках представляют собой ударные волны от столкновений потоков газа, выбрасываемых звёздами, с окружающим межзвёздным облаком. Этот газ состоит в основном из молекулярного водорода и окиси углерода и заметен в инфракрасном свете как ярко-красная вспышка. До Уэбба эти потоки газа от молодых звёзд были видны лишь как слабые пятна или были вообще невидимы. Телескоп же раскрыл внутренние процессы и ключевые моменты звёздообразования.

Туманность Змееносца имеет и другие интересные особенности, включая «Bat Shadow» (тень летучей мыши), ранее заснятую телескопом Хаббл. Она видна ближе к центру изображения и вызвана протопланетным диском, отбрасывающим тень на плотный газ позади него. А ближе к правой части изображения можно увидеть пределы возможностей Уэбба. Так, тёмные области в этом секторе представляют собой карманы газа, настолько плотного, что даже инфракрасный свет не может пройти сквозь них.

Космический телескоп James Webb работает всего около двух лет, но уже значительно расширил наше понимание Вселенной и подтвердил теоретически предсказанные процессы, такие как выровненные струи в туманности Змееносца. Благодаря успешному запуску, NASA считает, что Уэбб может проработать 20 лет, что вдвое превышает изначально запланированный срок службы.

Согласно наблюдениям и моделям, звёзды в семь и более раз массивнее нашего Солнца не должны обладать магнитными полями. Несмотря на это, около 7 % массивных звёзд имеют сильные магнитные поля, что долгие годы было поводом для научных дискуссий. Серия новых наблюдений европейских астрономов позволяет уверенно разгадать эту загадку. Всему виной «звёздный каннибализм», считают они.

Источник изображения: ESO/VPHAS+

Исследователи обратили внимание на необычную двойную звёздную систему HD 148937 на удалении 3800 световых лет от нас. Внутри красивой туманности, прозванной «Яйцо дракона», вокруг общего центра масс вращается две звезды: одна в 29,9 солнечных масс, а другая — 26,6 солнечных масс. Изучение химического состава этих звёзд по спектрам, полученным приборами Очень большого телескопа Южной европейской обсерватории, выявило несуразность. По химическим профилям звёзд выходило, что более массивному светилу 2,7 млн лет, а меньшему — 4,1 млн. Так не бывает, а значит что чуть раньше с этими звёздами что-то произошло.

Также необычным можно считать наличие туманности вокруг звёзд, возраст которой оценивается от 4 до 7,5 тыс. лет. Наконец, химический состав вещества туманности тоже нетипичный. В нём преобладают вещества, которые обычно находятся внутри звёзд. Всё вместе позволило восстановить последовательность событий.

С большой вероятностью система HD 148937 состояла как минимум из трёх звёзд. Две из них, можно сказать, центральные, столкнулись не более чем 7 тыс. лет назад. Это повлекло за собой три обнаруживаемых эффекта. Во-первых, химический состав звезды-каннибала или выжившей звезды изменился, до некоторой степени омолодив её. Во-вторых, вокруг системы образовалась туманность из выброшенного в процессе столкновения вещества обеих звёзд. В-третьих, внутри звезды-каннибала в процессе поглощения партнёра стартовали мощные конвективные потоки вещества, что привело к генерации сильного магнитного поля.

В теории магнитное поле у сверхмассивной звезды со временем должно затухнуть, но поскольку поглощение произошло относительно недавно, оно всё ещё очень сильное и вызывает удивление. С другой стороны, учёные получили убедительное доказательство фактора приобретения магнитных полей сверхмассивными звёздами, что может положить конец затянувшейся дискуссии по этому поводу. Впрочем, одного наблюдения явно не достаточно, поэтому астрономы продолжат изучать системы с похожим набором свойств.

5 апреля опубликованы первые данные нового цикла наблюдений коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, стартовавшего год назад. Первым достоверно подтверждённым событием стал гравитационно-волновой сигнал GW230529. Это событие оказалось уникальным и вторым подобным за всю историю работы детекторов. Один из объектов гравитационного взаимодействия оказался из так называемого разрыва масс между нейтронными звёздами и лёгкими чёрными дырами, а это новая загадка.

Художественное представление разрыва нейтронной звезды чёрной дырой. Источник изображения: Max Planck Institute for Gravitational Physics

Согласно данным гравитационно-волновых детекторов LIGO, событие GW230529 представляет собой взаимодействие двух объектов — одного массой 1,2–2,0 солнечных масс, а второго — более чем в два раза массивнее (2,5–4,5 солнечных масс). Первый компактный объект определён как нейтронная звезда, а второй попал в диапазон масс, в котором ничего не должно находиться. Выше разрыва учёные находили лёгкие чёрные дыры, а ниже — нет. Также в этот диапазон не могут попасть нейтронные звёзды. Остаётся предположить, что учёные открыли легчайшую чёрную дыру, что стало вызовом для современной астрофизики.

В одно из предыдущих наблюдений детекторами LIGO-Virgo подобный объект промежуточной массы уже наблюдался — это сигнал GW190814. Но тогда, в 2019 году, был получен сигнал об объекте из нижнего диапазона разрыва масс, что заставило заподозрить в нём тяжелейшую нейтронную звезду. Сигнал GW230529 подбросил новую загадку, но одна только гравитационно-волновая обсерватория её не решит. Для этого нужны наблюдения в других диапазонах.

Кстати, сигнал GW230529 был обнаружен только обсерваторией LIGO. Обсерватория Virgo в Италии и KAGRA в Японии данных не увидели, поэтому определение направления на событие затруднено. В то же время обнаружение сигнала на одном детекторе стало проверкой нового программного обеспечения, которое успешно отфильтровало шум и вычленило полезный и, как оказалось, уникальный сигнал.

В январе обсерватории были остановлены на плановое обслуживание и модернизацию. Обсерватория в Японии подверглась землетрясению и вынуждена была встать на ремонт. Новый сеанс наблюдения начнётся 10 апреля и продлится до февраля 2025 года. В первый цикл было зафиксировано 81 событие, данные по первому из них — GW230529 — опубликованы. Всего по окончанию цикла ожидается регистрация свыше 200 гравитационно-волновых событий.

Вселенная полна «ускорителями для бедных», как академик Яков Зельдович назвал энергичные космические явления. Ряд процессов мы никогда не сможем воссоздать в земных лабораториях, куда входят также события, связанные с нейтронными звёздами. Всё это можно изучать со стороны и сейчас такие наблюдения принесли новый успех — впервые учёные зафиксировали струю выброса вещества с нейтронной звезды, скорость которого достигла 40 % от скорости света.

Художественное представление нейтронной звезды. Источник изображения: ЕКА

Открытие помогли сделать массив радиотелескопов Compact Array в Австралии и европейский рентгеновский спутник Integral (совместный проект ЕКА с «Роскосмосом» и NASA). Джеты и рассеяние вещества в процессе взаимодействия со струёй от нейтронной звезды видны только в этих диапазонах, а также в гамма-диапазоне. Другим условием было наличие у нейтронной звезды партнёра — обычной звезды, у которого она могла бы отнимать вещество для инициации джетов.

Силой своей гравитации нейтронные звёзды уступают только чёрным дырам. Если это двойная система из нейтронной звезды и обычной звезды, то вещество от последней (как правило, это водород) перетекает на нейтронную звезду, за что их иногда называют звёздными каннибалами. Концентрация и уплотнение водорода на поверхности нейтронной звезды приводит к запуску термоядерной реакции и взрыву, который и порождает джет — выброс энергии и вещества. Попутно в джет вовлекается окружающее нейтронную звезду вещество из пространства и ускоряется им, начиная светиться в рентгеновском и гамма-диапазоне.

Проблема с наблюдением таких явлений в том, что джеты возникают не по расписанию, а произвольно. Поэтому учёным приходится часами и даже сутками следить за нейтронными звёздами, в надежде собрать наиболее полную информацию по событию. Должно совпасть множество факторов, включая положение обсерваторий.

Международная группа астрофизиков из Университета Уорика (Великобритания), Национального института астрофизики в Палермо (Италия) и Амстердамского университета в Нидерландах добилась своего и смогла в деталях запечатлеть явление в «идеальном», как сообщили учёные в журнале Nature, эксперименте. Они зафиксировали не только процесс образования джета, но также захват струёй вещества из окружающего пространства и его разгон до скорости 35–40 % от скорости света (примерно 114 тыс. км/с).

По словам исследователей, это самый быстрый джет из наблюдавшихся. Также учёные отметили, что создавший струю термоядерный взрыв, по-видимому, не разрушил локацию, где он произошёл, а лишь вовлёк в струю массу вещества, синтезированного звездой. Тем самым подобные процессы очевидным образом влияют как на распространение более тяжёлых элементов по Вселенной, так и непосредственно на процессы звездообразования.

У Вселенной много загадок для человечества, среди которых нейтронные звёзды занимают особое положение. Это настолько плотные объекты, что в них есть место даже для новой физики. И хотя мы не сможем к ним приблизиться, учёным доступны наблюдения и компьютерное моделирование. Подгоняя симуляцию под наблюдения можно раскрыть множество секретов нейтронных звёзд.

Источник изображений: Zingale et al., ApJ, 2024

Столкновения нейтронных звёзд в двойных системах порождают термоядерные взрывы, когда часть вещества перетекает на другую звезду и запускается термоядерная реакция. Это очень мощные явления, которые астрономы фиксируют в гамма- и рентгеновском диапазоне. Силу вспышки и её динамику можно оценить количественно и затем использовать в расчётах для воспроизведения условий для её возникновения. Если расчёты совпадают с увиденным, значит, появляется простор для уточнения массы нюансов поведения нейтронных звёзд. Необходимые детали можно получить из моделирования, даже если мы никогда не получим непосредственного подтверждения симуляции наблюдениями.

Ранее в Ок-Риджской национальной лаборатории на суперкомпьютере Summit учёные исследовали термоядерное воспламенение нейтронной звезды в 2D-проекции. Для объёмной симуляции процесса необходимы намного большие машинные ресурсы, и они были выделены. В новом исследовании была проведена первая в мире подробная 3D-симуляция термоядерного воспламенения нейтронной звезды.

«С помощью симуляции мы можем увидеть, как эти события происходят в мельчайших деталях, — поясняют авторы работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal. — Одна из вещей, которую мы хотим сделать, это понять свойства нейтронной звезды, потому что мы хотим выяснить, как ведёт себя материя при экстремальных плотностях, которые вы обнаружили бы в нейтронной звезде».

В среднем диаметр нейтронных звёзд достигает 20 км. При этом её масса — это масса ядра бывшей звезды, превратившейся в сверхновую — может достигать двух масс Солнца. Собственной массы ядра не хватило, чтобы оно коллапсировало в чёрную дыру, но оставшись материальным телом, настолько спрессовало вещество в себе, что его плотность достигла невообразимых значений. Таких, что атомы вещества в центре нейтронных звёзд могут находиться в разобранном на кварки состоянии или ещё до каких-то неизвестных нам уровней.

Слева изображения симуляции термоядерного взрыва на нейтронной звезде в 2D, справа — в 3D

Моделирование позволяет выявлять нюансы физики нейтронных звёзд, чтобы установить ограничения на те или иные явления и процессы. Наконец, это может помочь создать модель внутренней физики этих объектов. Запуск 3D-модели термоядерного взрыва на нейтронной звезде показал несколько другие результаты, чем во время запуска 2D-модели. Это позволит сделать поправку на исследование процесса в 2D. Это важно по той причине, что запуск в 2D требует гораздо меньше вычислительных ресурсов и происходит быстрее.

В то же время запуск симуляции в 3D раскрыл новые грани процесса распространения термоядерной реакции по поверхности нейтронной звезды. Пока учёные смогли запустить моделирование лишь в районе одного полюса объекта, но приближаются к моделированию явления в масштабах всей звезды от полюса к полюсу.

Северная Корона (Corona Borealis) — небольшое созвездие северного полушария, главные звёзды которого образуют полукруглый венец. В греческой мифологии созвездие Короны — это венец Ариадны, освещавший путь Тесею в критском Лабиринте. Астрономы прогнозируют, что в этом созвездии в ближайшие несколько месяцев произойдёт взрыв, сияние которого в течение пяти дней будет видно с Земли невооружённым глазом.

Источник изображения: earth-chronicles.ru

«Северная Корона — двойная система. На самом деле это две звезды, — объясняет Джерард Ван Белль (Gerard Van Belle), научный директор обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе, штат Аризона. — Одна из этих звёзд — белый карлик, старая звезда, которая уже прошла свой жизненный цикл, основанный на термоядерном синтезе. Она превратилась из звезды главной последовательности в гигантскую звезду. А внешние части звёзд-гигантов в конечном итоге как бы выталкиваются в космическое пространство. Оставшееся ядро звезды называется белым карликом».

Стадия белого карлика обычно представляет собой мирный период «выхода звезды на пенсию». Реакция термоядерного синтеза останавливается, однако звезда все ещё довольно горячая и сверхплотная, с массой, сравнимой с массой Солнца, заключённой в объём Земли. Обычно белый карлик в созвездии Северной Короны слишком тусклый, чтобы его можно было увидеть невооружённым глазом. Но примерно раз в 80 лет происходит термоядерный взрыв, который делает сияние звезды более чем в 10 000 раз ярче. Ранее подобное явление наблюдалось в 1946 году, а этим летом астрономы ожидают повторения.

В ближайшие месяцы многие высокоточные астрономические инструменты будут нацелены на Северную Корону, чтобы в момент взрыва измерить геометрию расширяющегося огненного шара и сделать выводы о точной физике этого явления. В 1946 году яркость вспышки достигла третьей звёздной величины, а до этого, в 1866 году — второй. Звёздная яркость второй величины примерно соответствует яркости Полярной звезды.

Взрыв белого карлика провоцируется соседней звездой — красным гигантом. По словам Ван Белля, «звезда-компаньон находится в фазе красного гиганта, она раздута. Внешние области [красного гиганта] отслаиваются и выбрасываются в космос. Это вещество притягивается белым карликом». Большая часть вещества, притягиваемого белым карликом —водород. В конечном итоге, он образует вокруг белого карлика слой толщиной буквально в несколько метров, но этого достаточно для начала неконтролируемой реакции ядерного синтеза.

Источник изображения: NASA/CXC/RIKEN/STScI/NRAO/VLA

Этот взрыв не является вспышкой сверхновой, которая уничтожила бы и белого карлика, и красного гиганта. «Только около 5 % слоя водорода превращается в более тяжёлые элементы, такие как гелий, а остальная часть просто выбрасывается в космос. Затем процесс начинается заново, потому что взрыв недостаточно силен, чтобы разрушить красного гиганта, донора этого водорода», — утверждает Ван Белль. Поэтому это событие может быть предсказано с высокой, по меркам космоса, точностью.

«Когда взорвётся сверхгигант Бетельгейзе в созвездии Ориона, вы сразу это заметите, потому что вспышка по яркости будет соответствовать полной Луне, и её будет трудно игнорировать. Я могу с уверенностью сказать, что взрыв произойдёт в ближайшие 100 000 лет. Это типичное астрономическое предсказание», — добавил Ван Белль, продемонстрировав, что шутить могут не только физики.

Учёные Института астрономии при Гавайском университете доложили, что им удалось зафиксировать событие приливного разрушения (TDE) звезды сверхмассивной чёрной дырой, которая находится в центре галактики NGC 3799. Эта галактика характеризуется активным звездорождением, располагается в 160 млн световых лет от Земли и наблюдается в созвездии Льва.

Иллюстрация спагеттификации звезды сверхмассивной чёрной дырой. Источник изображения: hawaii.edu

Открытие было сделано 22 февраля 2023 года с помощью системы ASAS-SN, предназначенной для поиска сверхновых, когда исследователи заметили внезапное прояснение и быстрое затухание спиральной галактики с перемычкой, где произошло событие. TDE возникает, когда звезда слишком близко подходит к сверхмассивной чёрной дыре — такие чёрные дыры находятся в центре многих крупных галактик и имеют массы в миллионы или даже миллиарды солнечных. Гравитация сверхмасисвной чёрной дыры порождает колоссальные приливные силы, которые вытягивают звезду — она превращается в космическую лапшу из звёздного вещества и обвивает чёрную дыру как спагетти на вилке. После этого процесса, называемого спагеттификацией, разрушенная звезда постепенно падает в чёрную дыру. Параллельно создаются яркие вспышки, которые можно увидеть на Земле.

Эти события довольно распространены, но обнаружить TDE в относительной близости к Земле получается очень нечасто. Поэтому произошедшее в галактике NGC 3799 событие, которому было присвоено обозначение ASASSN-23bd, оказалось приоритетным для исследователей. Были проведены дополнительные наблюдения при помощи телескопов системы ATLAS, предназначенной для оповещения о приближении астероидов, а также обсерватории Кека. Выяснилось, что ASASSN-23bd выделяется среди TDE не только своей близостью к Земле: событие породило яркий всплеск всего на 15 дней, то есть оно прошло примерно вдвое быстрее, чем ему подобные. Кроме того, в результате было произведено значительно меньше энергии, чем обычно. В результате событие отнесли к категории «быстрых TDE с низкой светимостью».