Вселенная полна зрелищных и бурных событий, но лишь немногие из них более драматичны, чем черная дыра, разрывающая на части звезду. Теперь, благодаря продвинутому компьютерному моделированию, ученые получили самое близкое представление о том, как на самом деле может выглядеть — и даже звучать — эта космическая катастрофа.
Группа астрономов под руководством астрофизика-теоретика Элиаса Моста из Калифорнийского технологического института (Caltech) смоделировала драматические последние миллисекунды перед тем, как нейтронная звезда — невероятно плотное ядро, оставшееся после мощного звездного взрыва, — будет поглощена черной дырой.
Результаты, опубликованные в марте в журнале Astrophysical Journal Letters, свидетельствуют о том, что в эти последние мгновения поверхность звезды раскалывается на части, подобно земле во время землетрясения. Непосредственно перед тем, как нейтронная звезда исчезнет в бездне черной дыры, наружу вырвутся самые мощные из известных нам ударных волн в виде бурного, окончательного прощания. Работа команды также предсказывает виды сигналов, которые это космическое столкновение может послать через космос, сигналы, которые астрономы с помощью телескопов на Земле и на орбите смогут однажды обнаружить.
«До этого моделирования люди думали, что нейтронную звезду можно разбить, как яйцо, но они никогда не спрашивали, можно ли услышать треск», — сказал Мост в своем заявлении. «Наша работа предсказывает, что да, вы можете услышать или обнаружить это как радиосигнал».
Моделирование показывает, что непосредственно перед тем, как нейтронная звезда будет проглочена, огромная гравитация черной дыры рассекает ее поверхность, вызывая сильные звездотрясения. Это заставляет мощное магнитное поле звезды пульсировать и искривляться, создавая то, что астрономы называют волнами Альфвена. Затем, непосредственно перед поглощением нейтронной звезды черной дырой, эти волны превращаются в мощный взрыв, испуская всплеск радиоволн, известный как быстрый радиовсплеск (FRB). В заявлении говорится, что создаваемая Калтехом сеть из 2 000 радиотарелок в Неваде может однажды оказаться достаточно чувствительной, чтобы обнаружить эти последние всплески.
На этом снимке из моделирования показан намагниченный поток плазмы, возникающий после слияния черной дыры и намагниченной нейтронной звезды. Карты светло-голубого цвета показывают силу магнитных полей внутри этого ветра. Намагниченный поток приводится в движение вращением остаточной черной дыры, подобно вращающемуся вентилятору, гоняющему воздух. (Иллюстрация: Yoonsoo Kim/Caltech).
Затем, когда она исчезает в черной дыре, моделирование показывает «чудовищные ударные волны», еще более сильные, чем те, что были вызваны первоначальной трещиной, вырвавшейся наружу. Эти волны также могут создавать детектируемые радиосигналы, что потенциально позволит астрономам уловить два разных всплеска от одного столкновения нейтронной звезды и черной дыры.
«Это выходит за рамки обоснованных моделей этого явления», — сказала в том же заявлении Катерина Чатциоанну, доцент физики в Калтехе и соавтор нового исследования. «Это реальное моделирование, которое включает в себя всю соответствующую физику, происходящую, когда нейтронная звезда разбивается как яйцо».
Вид сбоку из симуляции «пульсара черной дыры» — гипотетического объекта, в котором черная дыра запускает намагниченные потоки, вращающиеся вокруг черной дыры, как маяк. Желтые линии показывают, где встречаются магнитные поля, направленные в разные стороны. Электрические токи текут вдоль этой границы раздела и нагревают плазму, которая приобретает характерную геометрию «юбки балерины». (Иллюстрация: Yoonsoo Kim/Caltech).
Моделирование также предсказывает возможное образование редкого гипотетического объекта, известного как пульсар с черной дырой. Традиционные пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды, испускающие пучки излучения, а новое исследование предполагает, что черная дыра может ненадолго имитировать такое поведение, поглощая нейтронную звезду.
Это явление происходит потому, что, когда черная дыра поглощает нейтронную звезду, она также втягивает в себя магнитное поле звезды. «Но ей нужно от него избавиться», — сказал Мост в своем заявлении. «Моделирование показывает, что она действительно делает это таким образом, что формирует состояние, похожее на пульсар».
Эти три панели взяты из суперкомпьютерной симуляции слияния черной дыры (большой черный круг) и нейтронной звезды (цветной шарик). На изображениях, которые перемещаются во времени слева направо, видно, как сильная гравитация черной дыры растягивает нейтронную звезду, прежде чем черная дыра в конце концов поглотит ее. (Фото: Elias Most/Caltech).
Согласно новому исследованию, пульсары черных дыр будут существовать всего долю секунды, но могут испустить кратковременный всплеск высокоэнергетического рентгеновского или гамма-излучения — безошибочный признак бурного конца звезды.
Команда специалистов приписывает свое детальное моделирование мощностям новейших вычислительных технологий. Они использовали Perlmutter, суперкомпьютер Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии, оснащенный GPU — теми же графическими процессорами, которые используются в видеоиграх и инструментах искусственного интеллекта, таких как ChatGPT.
«Раньше нам просто не хватало вычислительных мощностей для численного моделирования этих очень сложных физических систем с достаточной степенью детализации», — говорит Мост.
«С появлением графических процессоров все вдруг заработало и оправдало наши ожидания».
Исследование было опубликовано в двух статьях в журнале The Astrophysical Journal Letters.
