Согласно одной из гипотез, внутри нейтронных звёзд плещется целый спектр кварков разных уровней. Эти субатомные частицы, на которые внутри нейтронных звёзд распадаются нейтроны, обеспечивают высочайшую плотность вещества во Вселенной, которой нельзя добиться в земных условиях. Что на самом деле происходит в нейтронных звёздах доподлинно неизвестно, но учёные надеются узнать это с помощью новых инструментов.

Источник изображения: NASA/Goddard Space Flight Center

Таким инструментом для наблюдения за нейтронными звёздами должны стать детекторы гравитационных волн типа LIGO, которые несколько лет назад впервые в истории земной науки обнаружили присутствие таких волн во Вселенной. Инструмент 14 сентября 2015 года зафиксировал слияние двух чёрных дыр с массами в 29 и 36 Солнц, которое произошло 1,3 млрд лет назад. Нейтронные звёзды в двойных системах также создают мощнейшие гравитационные волны в момент слияния, но эти события (или большинство из них), пока находятся за пределами чувствительности действующих детекторов.

Между тем, слияние нейтронных звёзд и последствия столкновения порождают определённые выбросы энергии (в том числе в виде гравитационных волн), фиксируя которые можно узнать о массе объектов и их радиусах. Сегодня мы лишь примерно предполагаем, что нейтронные звёзды, которые из-за своей природы в большинстве не видны в земные телескопы, имеют радиус от 10 до 20 км при массе до 2 масс Солнца (ниже анимация процессов при слиянии двух нейтронных звёзд).

Анализируя гравитационные волны, мы сможем довольно точно определить радиус и массы слившихся нейтронных звёзд в двойных системах, что даст нам понимание внутреннего состава этих объектов. В свежем исследовании учёные из Принстонского университета показали, как правильно интерпретировать эти данные и какие коэффициенты необходимо использовать при математических расчётах в зависимости от массы сталкивающихся нейтронных звёзд. Фактически они представили математический аппарат, в который достаточно внести данные измерений. Осталось только получить эти данные.

Кстати, обсерватория LIGO получила апгрейд и существенно повысит свою чувствительность. Новый цикл наблюдений будет запущен в 2024 году. Новые открытия не за горами.

Астрономы с помощью космического телескопа «Хаббл» в августе 2017 года зафиксировали столкновение двух нейтронных звёзд, породившее мощный гравитационно-волновой всплеск GW170817. В результате взрыва выделилась энергия, сопоставимая с энергией от взрыва сверхновой. Теперь же учёные подсчитали, что образовавшийся в результате взрыва всплеск материи (джет) развил скорость в более чем 99,97 % от скорости света, хотя изначальные измерения говорили о превышении скорости света в 4-7 раз, что невозможно.

Источник изображения: hubblesite.org

Последствия столкновения двух нейтронных звёзд наблюдали более 70 обсерваторий по всему миру и в космосе. Учёные оперативно перенаправили научные инструменты телескопа «Хаббл» для наблюдения за местом взрыва. В результате удалось установить, что нейтронные звёзды рухнули в чёрную дыру, мощная гравитация которой начала притягивать к себе материю и формировать быстро вращающийся диск, который породил двигающиеся от его полюсов наружу джеты.

Хотя это событие произошло в 2017 году, учёным потребовалось несколько лет, чтобы разработать способ анализа данных «Хаббла» и других телескопов для формирования полной картины случившегося. Данные «Хаббла» были объединены с результатами наблюдений нескольких радиотелескопов Национального научного фонда США, которые были получены через 75 и 230 дней после взрыва, а также данными спутника Gaia Европейского космического агентства (ESA).

Проанализировав данные наблюдений, учёные пришли к выводу, что один из возникших после столкновения нейтронных звёзд джетов якобы двигался со скоростью, в семь раз выше скорости света. Радиотелескопы показали, что позднее скорость джета снизилась, но всё ещё оставалась на уровне в четыре раза выше скорости света. В действительности ничто не может превысить скорость света. Поэтому учёные провели повторные расчёты и установили, что джет двигался на скорости, составляющей более 99,97 % скорости света, что не нарушает законы физики, но тоже выглядит весьма впечатляюще.

Столкновение двух нейтронных звёзд, расположенных в нескольких миллиардах световых лет от нас, породило один из мощнейших гамма-всплесков, зафиксированных радиотелескопом ALMA в чилийской пустыне Атакама. Сейчас мы находимся в 20 млрд световых лет от галактики, в которой расположены эти звёзды.

Источник изображения: northwestern.edu

Нейтронные звёзды — это сверхплотные ядра, остающиеся после взрыва массивных звёзд, и при их столкновении происходит мощный взрыв, результат которого называют килоновой. Название намекает, что производимая при этом энергия может в тысячу раз превосходить энергию, излучаемую сверхновой. Производятся гравитационные волны и в два противоположных направления испускается выброс пучков гамма-излучения.

Описанное событие было зафиксировано 6 ноября 2021 года орбитальной рентгеновской и гамма-обсерваторией INTEGRAL Европейского космического агентства — она отправила сигнал, который активировал спутник NASA Swift. Внесённый в каталог под номером GRB 211106A всплеск продолжался менее двух секунд, и гораздо дольше него длилось послесвечение килоновы.

Послесвечение поддаётся изучению. Гамма-волны ускоряют электроны, содержащиеся в газе на месте столкновения, и энергия излучения этих электронов достигает пика в миллиметровом диапазоне — по ней можно судить об общей энергии взрыва. При помощи полученных ALMA данных было установлено, что с гамма-всплеском GRB 211106A высвободилась энергия в диапазоне от 2×10⁵⁰ до 6×10⁵⁰ эрг, что делает его одним из мощнейших за всю историю наблюдений (1 эрг — единица работы и энергии в системе СГС, равняется 10^-7 Дж).

Источник изображения: Nidhi Yashwanth / pixabay.com

Столкновение звёзд произошло от 6,3 млрд до 9,1 млрд лет назад, а сейчас, с учётом расширения вселенной, «родная» галактика этих звёзд находится в 20 млрд световых лет от нас. Гравитационные волны от источника на таком расстоянии обнаружить не удалось — слишком далеко. Зато учёные подробно изучили послесвечение гамма-всплеска: он стартует узким пучком, а затем постепенно расширяется. В данном случае угол раскрытия пучка достиг 16°, и это один из крупнейших показателей для короткого гамма-всплеска. Исследователям повезло, потому что зафиксировать пучок можно только тогда, когда он направлен на нас, а значит, чем он шире, тем у нас больше шансов его увидеть.

Подобные события имеют важное значение для космической химии: при таких столкновениях звёзд образуются тяжёлые элементы, включая серебро, золото и платину. Как подсчитали учёные, масса образуемого при этом золота может достигать от 3 до 13 масс Земли.

Доклад учёных о событии выйдет в научном журнале Astrophysical Journal Letters.