Слияние нейтронных звезд может служить источником энергии коротких гамма-всплесков
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.
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
-
Сначала - о нейтронной звезде: откуда у звезды, состоящей из нейтральных нейтронов возникло первичное магнитное поле и как оно потом усиливается до таких гигантских размеров? Второе: плазма, что витает на поверхности нейтронной звезды состоит из частиц разного заряда, которые в суме никак не могут увеличивать магнитное поле Н.З., а только обнулять его! Третье: черная дыра никак не может иметь никакого магнитного и иного поля, кроме гравитационного, а потому и не может иметь джетов!!!
-
Первые два вопроса достаточно просты.
Как поле возникает? Дело в том, что речь идет о поле на поверхности звезды. Как известно, при сжатии звезд магнитный поток сохраняется. Поэтому магнитное поле на поверхности звезд (подчеркиваю, на поверхности) многократно усиливается в процессе сжатия.
Второе, магнитное поле (по закону Лоренца) генерируется и поддерживается не зарядом, а током. Так что факт того, что НЗ (как, вообще говоря и любой другой реальный объект во вселенной) электронейтральна, не противоречит наличию поля.
А вот комментарии относительно того, что "черная дыра не имеет волос" я бы послушал. Пока сам понять не могу. Завтра с работы скачаю оригинал статьи, попробую разобраться. Тут вероятно какая-то подмена понятий случается... Автор?-
Я бы сказал иначе: вопросы достаточно сложны! Во всей этой истории с загадочными джетами много - от лукавого! Так, многие авторы вначале рассуждений делают как бы незначительные, но очень и очень значительные начальные предположения: сливаются две «умеренно намагниченных НЗ околосолнечной массы», «каждая звезда обладает полоидальным магнитным полем с максимальной напряженностью 1012 гаусс», потом как-то (правда, никто не знает – как!) образуется ЧД (как по щучьему велению!), при этом её магнитное поле многократно усиливается…всё это моделируется на мощном компьютерном комплексе, при этом модель объекта строится на основании «уравнений общей теории относительности и релятивистской магнитной гидродинамики», т.е. по законам известной нам физики (и это – для совершенно неизвестной нам физики НЗ и ЧД), потом, как правило, получаются всегда именно те нужные «миллисекунды», которые и наблюдают на практике!
По мелочам всё вроде бы учтено и согласовано, но… истина кроется в принципах, а мелочами заведует, как известно бухгалтерия, а там у них всегда всё до копеечки сходится (только физики там нет, одни правильные расчёты!). Потому, коллега, если есть желание познать истину, давайте поговорим о принципах! Я согласен, что «… при сжатии звезд магнитный поток сохраняется. Поэтому магнитное поле на поверхности звезд …многократно усиливается в процессе сжатия», но согласитесь и вы, что процесс рождения НЗ, а тем более ЧД это не просто их «сжатие», как звёзд обычных, это – совершенно иной физический процесс, где происходят доселе неведомые преобразования ведомых нам форм материи (неведомые фазовые переходы, запредельные плотности и силы, коллапс вещества и пространства), но главное – радикальные взаимодействия фундаментальных полевых структур. Если плазму (зарядно-нейтральную, кстати) на поверхности НЗ до слияния с другой НЗ ещё как-то можно допустить, то наличие магнитного поля или любого иного, кроме гравитационного, у возникшей при этом ЧД, мы допустить не можем никак! При фазовом переходе материи нашей реальности в состояние её коллапса в форме ЧД происходит полная её «разборка» на элементарные и фундаментальные компоненты, и процесс на этом не заканчивается (впереди ещё – стадия коллапса, физика которой вообще неведома никому даже в теоретическом плане)!
Но можем уверенно допустить, что на этой стадии исчезают все силы, которые обеспечивали существование тех самых нейтронов, что внутри НЗ, да ионов плазмы, что на её поверхности! Я даже не могу придумать для этого процесса достойное слово вместо банального «исчезают», естественно … за исключением силы гравитации. Поэтому ни о каком магнитном поле у ЧД не может быть и речи, нету поскольку там иных сил, кроме царствующих гравитационных! Я уверен, что железо компьютера и его программы выполнены на высоком профессиональном уровне, но, согласитесь, никогда и никакой самый мощный компьютер не решит задачу в принципе, если изначально заложены «не те» начальные условия, выбрана «не та» концепция модели!
Уважаемый geminga, я очень благодарен вам за то, что вы предпринимаете хотя бы попытку разобраться в одном из самых таинственных и самых важных космических явлений – джетах от пульсаров и от активных ядер радиогалактик! Откроем тайну этого феномена, на 90% приблизимся к тайне разгадки устройства Вселенной! Вы правильно поправили меня: «магнитное поле (по закону Лоренца) генерируется и поддерживается не зарядом, а током», ну конечно же током, просто я хотел сказать, что не может при этом возникать магнитное поле, поскольку суммарный ток плазмы равен нулю…заряды в таком токе в сумме-то электронейтральны! Тоже самое происходит и в аккреционных дисках, что образуются при пожирании чёрной дырой разорванной на кванты вакуума попавшей в её объятия звезды, а потому и аккреционный диск так же не может быть источником джетов! Это раз, да и с ускоряющим такой поток заряженных частиц полем так же возникает проблема: у Лоренца – это электрическое поле, которое не только ускоряет заряды в проводнике тороида, но и питает энергией возникающее при этом магнитное поле! А в нашем случае ускоряющей силой является гравитационная сила НЗ или ЧД, поскольку суммарное электрическое поле плазмы нулевое, а потому, если кто-то утверждает, что возникает как-то магнитное поле, то он должен признать, что его источником есть поле гравитационное, а это, согласитесь, уже – не просто догадка, а совершенно новая физика, о которой так мечтают многие физики сегодня, уставшие от неспособности разрешить этот ребус с джетами у чёрных дыр! А ещё, коллега, это…нобелевская премия, как минимум!
Словом, дорогой, geminga, если хотите знать, как в действительности из сверхновых звёзд возникают звёзды нейтронные, а из нейтронных – чёрные дыры, и как потом гравитационное поле выбрасывает в космос узкие и гигантские лучи-джеты, пожалуйста, организовывайте научный семинар, приглашайте специалистов и меня и я с удовольствием открою вам механизм такого перехода! С уважением! -
Ваше предположение, уважаемый geminga, более чем спорно! Во-первых, само понятие "поле на поверхности" требует очень и очень существенных проработок и уточнений! Например, на поверхности Солнце нет единого, глобального магнитного поля, а есть локальные поля, образованные локальными плазменными токами, а магнитное поле звезды в целом (как и планеты) объясняется какими-то её внутренними структурами, причём очень стабильными во времени и в пространстве! Далее, при сжатии (точнее, при коллапсе, а адекватная модель этого процесса практически отсутствует!) звезды в нейтронную происходят такие фазовые переходы материи, о которых мы почти ничего не знаем, и если при этом обнуляются электрические заряды, то откуда на поверхности берётся плазма? А если плазма и образуется потом, уже после образование НЗ, когда на её поверхность падает вещество извне, то, согласитесь, что и магнитное поле будет совершенно не то, о котором говорите вы, поэтому никакого сохранения магнитного потока не может быть! Далее, уважаемый geminga, вы утверждаете, «…что факт того, что НЗ (как, вообще говоря и любой другой реальный объект во вселенной)
электронейтральна, не противоречит наличию поля», но, согласитесь, что никак не сможет по з-ну Лоренца возникнуть магнитное поле от тока заряженных частиц, суммарный заряд которых равен нулю! Да-да, я (У-Ра, кстати, говорит тоже самое!) говорю о плазме «на поверхности НЗ»! М.б. что бы спасти принятую гипотезу стоит придумать какой-то механизм разделения зарядов: скажем «+» ионы и частицы тусуются в северном полушарии НЗ, а «-» частицы – в южном? Но и тогда, коллега, остаётся ещё более непреодолимое обстоятельство, делающее абсолютно невозможным этот механизм джетообразования: вы представляете себе, что при скорость вращения НЗ до тысячи оборотов в секунду, что будет происходить с газообразной плазмой на её поверхности? Неужели вы всерьёз думаете, что там выстоятся какие-то стабильные кольцевые токи, а главное, что такие токовые «цепи» просуществуют сотни тысяч и белее лет? Ну и последнее: посмотрите на магнитное поле Земли, посмотрите, как ведут себя в нём частицы плазмы, что прилетают от Солнца! Попробуйте нарисовать схему образования тонких, игольчатых лучей-джетов, что возникают у полюсов НЗ (и особенно у ЧД!) и я готов поспорить с вами на стакан портвейну, что вам это никогда не удастся! А все потому, что механизм джтов имеет совершенно иную природу, не магнитную!
-
-
Последние новости
