Новое исследование с использованием компьютерного моделирования и астрономических данных показало, что некоторые продолжительные гамма-всплески (GRB) вызваны космическими слияниями, образующими черные дыры, что бросает вызов предыдущим теориям о том, что гамма-всплески полностью вызваны коллапсом звезд. Этот прорыв обеспечивает более полное понимание происхождения гамма-всплесков.
Астрофизики из Института Фратийон и их коллеги использовали современное компьютерное моделирование, чтобы дать нам более четкое понимание того, как черные дыры генерируют самые энергичные всплески во Вселенной.
Новейшее компьютерное моделирование в сочетании с теоретическими расчетами помогает астрономам лучше понять происхождение некоторых из самых энергичных и загадочных световых явлений во Вселенной — гамма-всплесков (GRB). Новая объединенная модель подтверждает, что некоторые продолжительные гамма-всплески возникают после космических слияний, в результате которых образуются молодые черные дыры, окруженные гигантским диском сырой материи.
Ранее астрономы считали, что черные дыры, создающие длинные гамма-всплески, обычно образуются при коллапсе массивных звезд. Однако новые модели показывают, что они также могут создаваться при слиянии двух плотных объектов, таких как пара нейтронных звезд (плотные мертвые остатки массивных звезд) или черная дыра и нейтронная звезда. Полученные данные объясняют недавно наблюдавшиеся длинные гамма-всплески, которые астрономы не смогли связать с коллапсом звезды.
Создатели моделирования опубликовали свои результаты 29 ноября в The Astrophysical Journal Letters.
Моделирование показывает, как слияние черной дыры и нейтронной звезды создает мощные струи и ветры, вызывающие гамма-всплески. Новое исследование предлагает структуру, связывающую физику таких слияний с наблюдениями гамма-всплесков. Исследования показали, что слияния массивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды, могут вызывать длительные гамма-всплески. Источник: Оле Готлиб
«Наши результаты связывают наблюдения с фундаментальной физикой и объединяют многие оставшиеся без ответа вопросы в области гамма-всплесков», — сказал Оре Готлиб, ведущий автор нового исследования и научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики (CCA) в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. «Впервые мы можем узнать, что происходит до образования черной дыры, благодаря наблюдениям за гамма-всплесками».
GRB — самые яркие и жестокие события во Вселенной. Гамма-всплески ослепляют и озадачивают астрономов с тех пор, как они были впервые обнаружены в 1967 году. Даже по прошествии десятилетий точный механизм, вызывающий мощные гамма-всплески, остается неопределенным. За прошедшие годы астрономы заметили два различных типа гамма-всплесков: один продолжительностью менее секунды, а другой продолжительностью 10 секунд и более. В конечном итоге исследователи определили, что короткие гамма-всплески возникают из джетов, испускаемых после слияния двух компактных объектов, а длинные гамма-всплески могут возникать в джетах, испускаемых при коллапсе массивных вращающихся звезд. Но за последний год два необычных наблюдения длинных гамма-всплесков показали, что длинные гамма-всплески возникают не только при коллапсе гигантских масс.
Готлиб и его коллеги провели современное моделирование, чтобы проверить, как слияние массивных и компактных объектов может вызвать гамма-всплески. Новое моделирование заняло несколько месяцев и частично проводилось на суперкомпьютере Института Фратилон. Новое моделирование начинается, когда два компактных объекта находятся на близкой орбите, и отслеживает струи, пока они не удалятся от места слияния. Такой подход позволяет исследователям делать меньше предположений о задействованной физике. Объединив моделирование с ограничениями на основе астрономических данных, ученые построили единую модель происхождения гамма-всплесков.
Исследователи определили, что необычный гамма-всплеск возник после слияния двух компактных объектов. В результате слияния образуется черная дыра, окруженная большим аккреционным диском (быстро вращающимся кольцом из остатков магнитного материала), который может излучать длинные гамма-всплески. Эта информация, полученная в результате моделирования, помогает астрономам понять не только объекты, которые производят эти гамма-всплески, но и то, что происходит до них.
Моделирование показывает, как слияние черной дыры и нейтронной звезды создает мощные струи и ветры, вызывающие гамма-всплески. Новое исследование предлагает структуру, связывающую физику таких слияний с наблюдениями гамма-всплесков. Исследования показали, что слияния массивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды, могут вызывать длительные гамма-всплески. Источник: Оле Готлиб
Готлиб сказал: «Если мы увидим длинный гамма-всплеск, подобный тому, который наблюдался в 2022 году, мы теперь знаем, что он исходит из черной дыры с массивным диском. Зная, что существует массивный диск, мы теперь можем определить соотношение масс двух родительских тел, потому что их соотношение масс связано со свойствами диска. Например, слияние нейтронных звезд с неравными массами неизбежно приведет к появлению гамма-всплесков с большей продолжительностью».
Ученые надеются использовать эту единую модель, чтобы определить, какие объекты производят короткие гамма-всплески. Модель предполагает, что эти всплески могут быть вызваны черными дырами с меньшими аккреционными дисками или объектом, известным как сверхмассивная нейтронная звезда, нестабильной формой звезды, которая быстро сжимается, образуя черную дыру, но не раньше, чем испускает короткий импульс гамма-всплеска. Ученые надеются, что благодаря большему количеству наблюдений гамма-всплесков они смогут усовершенствовать свои модели и определить происхождение всех гамма-всплесков. Хотя наблюдения гамма-всплесков по-прежнему относительно редки, астрономы стремятся поймать больше гамма-всплесков, когда обсерватория Веры Рубин начнет наблюдения в начале 2025 года.
«Поскольку мы будем проводить больше наблюдений за гамма-всплесками различной длительности импульсов, мы сможем лучше обнаружить центральный механизм, который приводит в действие эти экстремальные события», — сказал Готлиб.