Алексей Левин: Хвостатые вспышки

«Популярная механика» №3, 2011

Гамма-всплески — самые мощные во Вселенной процессы, сопровождающие гибель или слияние звезд и рождение черных дыр.

В 1960-х годах США отправили в космос несколько специализированных спутников семейства Vela, предназначенных для регистрации элементарных частиц и фотонов очень высоких энергий. Хотя эти спутники не имели никакого отношения к астрономии (они должны были отслеживать для Пентагона советские ядерные испытания на обратной стороне Луны), именно они стали первооткрывателями чрезвычайно интересного астрономического феномена — гамма-вспышек.

В марте 1969 года сотрудники небольшой научной группы в Лос-Аламосе, где обрабатывалась поступающая из космоса информация, обратили внимание, что пара спутников-близнецов серии Vela-4 еще в 1967 году зарегистрировала два непродолжительных импульса гамма-излучения, которые нельзя приписать ни взрыву сверхновой, ни солнечным вспышкам, ни советским ядерным испытаниям. К лету 1973-го усовершенствованные спутники серии Vela-5 отследили уже 16 подобных вспышек.

Первооткрыватели загадочного явления Рей Клибсадел и Рой Олсон, а также сотрудничавший с ними Йен Стронг сообщили об этом открытии на страницах Astrophysical Journal Letters. Короткая заметка положила начало новому научному направлению — исследованию космических гамма-всплесков, cosmic gamma-ray bursts (GRB, в русскоязычной литературе их называют также гамма-вспышками и гамма-барстерами, хотя последний термин сейчас употребляют редко).

Сбор информации

Информация о гамма-всплесках накапливалась медленно. Поначалу детектировались только импульсы длительностью 10–30 секунд, состоящие из гамма-квантов с небольшой примесью рентгена. Со временем обнаружилось, что около 30% всех всплесков короче двух секунд, а их средняя длительность составляет лишь 300 миллисекунд. Эти импульсы отличаются большей жесткостью гамма-излучения (иначе говоря, присутствием более энергичных гамма-квантов), однако по части полной светимости уступают более продолжительным всплескам. Такие всплески стали называть короткими, а все прочие (иногда растягивающиеся на десятки минут) — длинными. Не так давно были выделены в самостоятельный класс очень короткие гамма-всплески длительностью меньше 100 миллисекунд.

В 2010 году Fermi обнаружил в центре Млечного пути два гигантских «пузыря», являющихся источником гамма-излучения. Одной из причин могут являться джеты, выбрасываемые гигантской черной дырой в центре галактики — но это пока только гипотеза. Изображение с сайта www.nasa.gov

В настоящее время собраны данные о нескольких тысячах гамма-вспышек различных типов. Примерно половина информации получена детектирующим комплексом BATSE (Burst and Transient Source Experiment), который стоял на борту американской космической обсерватории «Комптон», запущенной в апреле 1991 года и снятой с орбиты в июне 2000-го. Один этот прибор зарегистрировал 2704 гамма-вспышек — примерно по одной ежесуточно. Их источники не только не были сконцентрированы в плоскости нашей Галактики, но, напротив, однородно распределялись по всей небесной сфере (эту тенденцию еще в конце 1970-х выявил советский космический эксперимент «Конус»). Поэтому в 1990-х укрепилось мнение, что гамма-всплески возникают на дистанциях в миллионы и даже миллиарды световых лет от Земли (такие расстояния называют космологическими). Отсюда следовало, что для генерации всплесков необходима фантастическая энергия, вполне сравнимая с той, которая выделилась бы при полной аннигиляции небесных тел приличного размера.

Подтверждений этой гипотезы пришлось ждать еще несколько лет. Все дело было в том, что восемь детекторов комплекса BATSE локализовали расположение вспышек на небесной сфере очень приблизительно, с точностью от одного до десяти градусов (то есть от 2 до 20 угловых диаметров полной Луны). Координаты почти сотни вспышек удалось определить с меньшей погрешностью, но все же не слишком точно. Поэтому долгое время не получалось привязать гамма-всплески к конкретным источникам видимого света, расстояние до которых можно было бы измерить по красному смещению спектральных линий.

Привязка к небу

Первый шаг к преодолению этой неопределенности был сделан командой ученых во главе с голландским астрономом Яном ван Парадейсом 14 лет назад. Ученые работали с данными, полученными с итало-голландской орбитальной обсерватории BeppoSAX, которая в первую очередь предназначалась для исследований в рентгеновском диапазоне, но была оснащена детектором длинноволновых гамма-квантов с энергиями 60–600 кэВ (иногда эту область относят к верхней границе рентгеновского спектра).

28 февраля 1997 года BeppoSAX зарегистрировал вошедший в историю 80-секундный гамма-всплеск GRB 970228 (первые две цифры означают год, вторые — месяц, третьи — число). Погрешность в определении угловых координат на сей раз не превышала одной угловой минуты, и как раз на этом участке неба был выявлен чрезвычайно тусклый объект, различимый с помощью оптических телескопов. Правда, расстояние до него удалось определить лишь приблизительно, но это было только начало. 8 мая и 14 декабря BeppoSAX навел ученых еще на два длинных гамма-всплеска с оптическими двойниками, которые уж несомненно отстояли от Солнца на космологические дистанции (последний — аж на 12 млрд световых лет!).

Но это были еще цветочки. 12 января 1999 года BATSE зарегистрировал полутораминутный всплеск, источник которого удалось быстро локализовать с помощью нового роботизированного телескопа ROTSE 1, установленного на территории Лос-Аламосской национальной лаборатории. Телескоп обнаружил в указанном направлении световую вспышку продолжительностью чуть больше минуты. Ее можно было бы заметить и невооруженным глазом, будь она всего раз в десять ярче, хотя от источника нас отделяли 9 млрд световых лет. В гамма-диапазоне этот всплеск выбросил около 4 × 10⁵⁴ эрг (1 эрг = 10^–7 Дж) — правда, при допущении, что он равномерно светил по всем направлениям. Такая оценка полной энергии излучения называется изотропным эквивалентом, и в данном случае он оказался равным энергии, которая выделилась бы при полной аннигиляции звезды вдвое тяжелее Солнца! Конечно, если излучение было выброшено в узком конусе, хватило бы намного меньшей энергии, и такая интерпретация в конце концов стала общепринятой. Но в любом случае теперь уже исчезли всякие сомнения в том, что гамма-всплески порождены космическими катаклизмами феноменальной мощности.

Космические глаза

В последнее время возможности гамма-астрономии расширились благодаря новейшим космическим обсерваториям, оснащенным не только гамма-детекторами, но и телескопами, работающими на более длинных волнах. Поэтому появилась возможность оперативно отслеживать гамма-всплески даже без участия наземной аппаратуры.

Первой такой обсерваторией стал американский астроспутник HETE-2 (High Energy Transient Explorer), работавший с 2000 по 2006 год. Он определял положение гамма-всплесков с точностью до десяти угловых секунд и сделал множество открытий. Так, он обнаружил 25-секундный всплеск GRB 030329, который удалось связать со сверхновой звездой SN 2003 dh, вспыхнувшей в 2 млрд световых лет от Солнца. Это стало первой надежной демонстрацией того, что некоторые гамма-всплески сопутствуют взрывам сверхновых. Самые ранние свидетельства этого были получены в ходе наблюдения 30-секундного всплеска GRB 980425, но степень достоверности в том случае была гораздо меньшей.

Обнаружение гамма-всплесков — не единственная задача космического телескопа Fermi. Гамма-картирование неба, проведенное с помощью его инструментов, выявило несколько «неопознанных» источников гамма-излучения. Позднее они были идентифицированы как 17 новых пульсаров (на карте они обозначены кружочками, яркая горизонтальная полоса — наш Млечный путь). Изображение: «Популярная механика»

За HETE-2 последовала действующая по сей день международная обсерватория Swift, выведенная на околоземную орбиту 29 ноября 2004 года. На ней стоит детектор длинноволновых гамма-квантов с энергиями 15–150  кэВ, а также телескопы — рентгеновский и оптический. Эти приборы регистрируют послесвечение гамма-всплесков и определяют их координаты с исключительно высокой точностью — до десятых долей угловой секунды. К маю 2010 года Swift отловил свыше 500 гамма-всплесков, причем более половины — с оптическим послесвечением. Одним из них был первый короткий всплеск, обладающий световым хвостом, зарегистрированный 9 мая 2005 года.

На основании этого наблюдения было определено расстояние до источника и доказано, что и короткие всплески возникают на космологических дистанциях от Солнца.

19 марта 2008 года Swift заметил всплеск, сопровождающийся такой яркой вспышкой видимого света, что в течение 30 секунд ее можно было видеть без всякой оптики – и это при том, что расстояние до источника составляло 7,5 млрд световых лет! 23 апреля 2009 года Swift разглядел 10-секундный гамма-всплеск c рекордно высоким красным смещением 8,2, который был всего на 630 млн лет моложе эпохи Большого взрыва.

Гамма-глаза. Изображение: «Популярная механика»

В последние годы немалый вклад в исследование гамма-всплесков внес космический гамма-телескоп Fermi, запущенный в космос 11 июня 2008 года. Эта обсерватория оснащена приемником гамма-всплесков с 14 кристаллическими детекторами, отслеживающими кванты с энергиями в диапазонах 8 кэВ — 1 МэВ и 150 кэВ — 30 МэВ. Основной прибор обсерватории, обзорный гамма-телескоп (Large Area Telescope, LAT), позволяет отлавливать гамма-кванты особо высоких энергий — вплоть до 300 ГэВ. 16 сентября 2008 года эта обсерватория зарегистрировала гамма-всплеск с наибольшим на сегодня изотропным энергетическим эквивалентом в 8,8 × 10⁵⁴ эрг, что соответствует полной аннигиляции примерно пяти солнечных масс.

Интерпретация данных

Новые наблюдения весьма пополнили наши знания о гамма-всплесках. Обсерватория Swift накопила богатейший архив сведений о красном смещении оптического послесвечения гамма-всплесков, позволяющем оценить расстояние до их источников. «Сейчас мы собираем информацию о том, в каких галактиках чаще всего наблюдаются источники всплесков, — объясняет «ПМ» Крисса Коувелиотоу из Центра космических полетов NASA им. Маршалла, которая первой ввела классификацию гамма-всплесков на короткие и длинные. — По предварительным данным, там меньше элементов тяжелее гелия, нежели в нашей собственной Галактике, и следовательно, возникли они на более ранних этапах эволюции Вселенной. Мы также пытаемся понять, нельзя ли воспользоваться излучением гамма-всплесков для просвечивания пространства. Если это удастся, появится возможность получить дополнительную информацию о распределении материи во Вселенной. Автоматические космические обсерватории позволяют намного лучше выявить связь между всплеском и взрывом сверхновой и усовершенствовать теоретические модели возникновения гамма-всплесков различного типа.

В целом специалисты согласны с тем, что длинные всплески появляются при гравитационном коллапсе звезд-гигантов, а короткие — при столкновении и слиянии нейтронных звезд. Но здесь имеется множество нюансов, которые предстоит прояснить. К примеру, мы пока не знаем, почему излучение коротких гамма-всплесков иногда равномерно разбрасывается по всем направлениям, а иногда концентрируется внутри широкого конуса с углом раствора не менее 30°. Напротив, излучение длинных всплесков выходит через узкие конусы с типичным раствором в 5–10°, что полностью соответствует модели гибели звезд-коллапсаров».

Одна из моделей длинных гамма-вспышек связана с коллапсарами — массивными звездами (более 20 солнечных масс), лишенными водородной оболочки. Ядро такой звезды коллапсирует в черную дыру, которая засасывает вещество аккреционного диска и выбрасывает вдоль оси вращения релятивистские джеты — струи вещества, разогнанного до околосветовых скоростей. Пробивая оболочку звезды, джеты порождают мощное гамма-излучение, сконцентрированное в узком конусе. Изображение: «Популярная механика»

Космический телескоп Fermi в настоящее время зарегистрировал два десятка гамма-вспышек с энергиями фотонов выше 15 ГэВ. Это очень серьезное достижение, поскольку предшествующие обсерватории никогда не сообщали о всплесках с энергиями квантов более 2 МэВ. «Эта информация представляет огромный интерес для фундаментальной физики и космологии, — говорит Линн Комински, профессор и декан факультета физики и астрономии Калифорнийского университета в округе Сонома. — Есть все основания полагать, что сверхэнергичные фотоны чувствуют квантовую природу гравитации, которая лежит за рамками общей теории относительности.

Теория утверждает, что такие кванты распространяются несколько медленней, нежели фотоны меньших энергий, и поэтому преодолевают космологические дистанции с ощутимой задержкой. Это явление еще не обнаружено, но будущее покажет. Новая аппаратура также позволит выяснить, можно ли использовать гамма-всплески в качестве эталонных источников излучения. Сейчас эту роль исполняют звезды из группы цефеид и сверхновые типа Ia. Гамма-всплески намного ярче и потому пригодны для измерения космических дистанций куда большего масштаба. Наконец, есть шансы обнаружить гамма-всплески, порожденные взрывами сверхмассивных звезд первого поколения, сформировавшихся во времена, когда во Вселенной практически не было других элементов, кроме водорода и гелия. Я не побоюсь назвать эту цель святым Граалем современной гамма-астрономии».

Всплески: длинные, короткие...

По мнению профессора Техасского университета в Остине Крейга Уилера, возникновение длинных гамма-всплесков наилучшим образом объясняет модель, связывающую их со взрывами сверхмассивных коллапсирующих звезд. Такие взрывы оставляют после себя или черные дыры, или магнетары — сильно намагниченные быстро вращающиеся нейтронные звезды. В соответствии с этой моделью гамма-кванты должны выбрасываться внутри узких конусов, направленных вдоль оси вращения гибнущей звезды. Их источниками, скорее всего, служат ультрарелятивистские джеты — потоки частиц, чья скорость лишь на тысячные доли процента меньше скорости света. Общая энергия коллимированных выбросов гамма-квантов должна быть в тысячи раз меньше изотропного эквивалента и поэтому даже в максимуме не превышает 10⁵¹ эрг (10⁴⁴ Дж).

Коллапсу очень массивной звезды вполне по силам обеспечить такой энергетический выход. Для свободного выброса гамма-квантов звезда должна избавиться от внешней водородной оболочки, иначе та поглотит большую часть излучения. «Но это лишь общая картина, — говорит Уилер. — Детали работы космических машин, преобразующих гравитационную и вращательную энергию гибнущих звезд в направленное гамма-излучение, пока еще не выяснены. В частности, нам неизвестно, какой вклад в эти процессы вносят заряженные частицы и магнитные поля и на каких расстояниях от центра коллапсара рождаются основные потоки гамма-квантов».

Наиболее популярная модель происхождения коротких всплесков утверждает, что они возникают при столкновении намагниченных нейтронных звезд, которые обращаются вокруг общего центра инерции и постепенно сближаются из-за потери кинетической энергии, уносимой гравитационными волнами. Однако у этой модели есть свои белые пятна. Крейг Уилер отмечает: «Есть и другие гипотезы, например рождение коротких всплесков в аккреционных дисках белых карликов, но они тоже недостаточно обоснованы».

...И очень короткие

Профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Дэвид Клайн занимается изучением наикратчайших всплесков. Информация о них весьма скудная — из-за ограниченных возможностей аппаратуры. На сегодня зарегистрировано лишь несколько десятков всплесков этого типа, причем длительность некоторых из них составляла всего 11 миллисекунд. Но почти наверняка из космоса приходят всплески, измеряемые не только миллисекундами, но долями миллисекунд, просто пока нет возможности их обнаружить.

Очень короткие всплески — рекордсмены по жесткости гамма-излучения, однако максимальные энергии их фотонов еще не определены. Об их послесвечении мало что известно, но если оно действительно существует, то должно быть намного слабее послесвечения всплесков других типов.

«Вполне возможно, что для объяснения природы самых коротких всплесков не понадобятся никакие экзотические модели, — говорит Клайн, — однако я придерживаюсь мнения, что эти всплески возникают в ходе исчезновения черных дыр, образовавшихся вскоре после Большого взрыва и просуществовавших до современной эпохи». Такие дыры могут порождать гамма-всплески двумя путями. Стивен Хокинг в 1974  году теоретически показал, что любая черная дыра непрерывно испускает квантовое излучение с чернотельным спектром. Из-за этого она постепенно теряет массу и, как это ни парадоксально, не охлаждается, а нагревается. В конце концов дыра взрывается и излучает в гамма-диапазоне энергию порядка 10³⁰ эрг. Дыры звездной массы и тем более сверхмассивные дыры в ядрах галактик худеют чрезвычайно медленно, более легкие — намного быстрее. Расчеты показывают, что мини-дыра, появившаяся на свет с массой порядка 10¹⁰–10¹¹ г, должна взорваться в нашу эпоху, и мы сможем зарегистрировать ее гамма-излучение, если она находится совсем рядом, не далее двух-трех световых лет.

Однако профессор Клайн полагает, что существует и более экстравагантный способ генерации гамма-квантов, доступный дыре с исходной массой в 10¹⁴–10¹⁵ г. Когда такая дыра прогревается до триллионов градусов, обычная материя в ее окрестностях превращается в кварк-глюонную плазму. Это фазовый переход первого рода, аналогичный превращению воды в лед. Он приводит к выделению огромной энергии, которая и генерирует очень короткий гамма-всплеск. Такие всплески можно засечь, если их источник находится от нас на дистанции в два-три десятка световых лет. И профессор Клайн не теряет надежды, что детекторы космического телескопа Fermi когда-нибудь смогут подтвердить его гипотезу: «Если космические обсерватории новых поколений смогут улавливать микросекундные, а то и наносекундные гамма-импульсы, появится возможность наблюдать такие детали физики космоса, о которых сейчас нельзя даже и мечтать». В этих надеждах и заключается очарование древнейшей, но неизменно юной науки о Вселенной.

Слияние нейтронных звезд может служить источником энергии коротких гамма-всплесков

Рис. 1. Моделирование эволюции двойной системы и образования магнитного поля. «Моментальные снимки» в верхнем ряду соответствуют временам t = 7,4 сек (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.

Алексей Левин  http://elementy.ru/news?newsid=431562