Слияние нейтронных звезд породило пять невероятных вопросов

17 августа Земли достигли как световые, так и гравитационно-волновые сигналы слияния нейтронных звезд. Впервые в истории пара сигналов была зарегистрирована людьми. Фаза спирального кружения наблюдалась детекторами LIGO и Virgo в течение 30 секунд — в 100 раз дольше, чем предыдущие гравитационно-волновые сигналы. Также этот сигнал стал самым ближайшим из всех, что мы видели, всего в 130 миллионах световых лет от нас. В то время как обсерватории извлекали из сигналов огромное количество информации, возникла новая задача: привести все это к теоретической осмысленности.

Условно говоря, мы услышали звон, но не знаем, где он.

Итан Зигель сел с Крисом Фрайром из Национальной лаборатории Лос-Аламоса, специалистом по сверхновым, нейтронным звездам и гамма-лучевым всплескам, который работает над теоретической стороной этих объектов и событий. Никто не ожидал, что LIGO и Virgo смогут зарегистрировать слияние на таком раннем этапе проекта, всего через два года после первой успешной регистрации и задолго до достижения запланированной чувствительности. Но они не только увидели сигналы, но и смогли точно обозначить их источник, место слияния, что принесло нам кучу сюрпризов.

Вот пять самых больших новых вопросов, которые поднимает открытие.

До того как мы наблюдали это событие, у нас было два способа оценки частоты слияний нейтронных дыр: измерения двойных нейтронных звезд в нашей галактике (как от пульсаров) и наши теоретические модели образования звезд, сверхновых и их останков. Все это дает нам оценку — порядка 100 таких слияний происходит ежегодно в пределах кубического гигапарсека космоса.

Наблюдение нового события обеспечило нам первую наблюдаемую оценку частоты сияний, и она в десять раз больше ожидаемого. Мы думали, что нам понадобится LIGO, достигшая предела чувствительность (сейчас она на полпути), чтобы увидеть хоть что-то, а затем еще и три дополнительных детектора для точного определения места. А нам удалось не только рано увидеть его, но и локализовать с первой же попытки. Итак, вопрос: нам просто повезло увидеть это событие или же частота таковых действительно намного выше, чем мы думали? Если выше, в чем тогда ошибочны наши теоретические модели? В следующем году LIGO уйдет на модернизацию, и у теоретиков будет немного времени пораскинуть мозгами.

Наши лучшие теоретические модели предсказывали, что слияния звезд вроде этого будет сопровождаться ярким световым сигналом в ультрафиолетовой и оптической частях спектра в течение дня, а затем будет тускнеть и исчезать. Но вместо этого сияние продержалось два дня, прежде чем начало тускнеть, и у нас, конечно, появились вопросы. Яркое свечение, которое продержалось так долго, свидетельствует о том, что ветра в диске вокруг звезд выбросили 30-40 масс Юпитера в виде вещества. По нашим данным, вещества должно было быть меньше вдвое или даже в восемь раз.

Что же такого необычного в этих выбросах? Чтобы смоделировать такое слияние, нужно включить много разной физики:

…и многое другое. Различные коды моделируют эти компоненты с разными уровнями сложности, и мы не знаем наверняка, какой из компонентов несет ответственность за эти ветры и выбросы. Найти нужный — проблема для теоретиков, и нам приходится мириться с тем, что мы впервые измерили слияние нейтронных звезд… и получили сюрприз.

Чтобы получить достаточно потерянной массы от слияния нейтронных звезд, нужно, чтобы продукт этого слияния сгенерировал достаточно энергии соответствующего типа, чтобы сдуть эту массу с окружающего звезды диска. Основываясь на наблюдаемом гравитационно-волновом сигнале, мы можем сказать, что это слияние создало объект массой 2,74 солнечных, что значительно превышает максимум солнечной массы, который может быть у невращающейся нейтронной звезды. То есть, если ядерная материя ведет себя так, как от нее ожидаем, слияние двух нейтронных звезд должно было привести к появлению черной дыры.

Если бы ядро этого объекта после слияния немедленно сжалось до черной дыры, никакого выброса бы не было. Если бы вместо этого оно стало сверхмассивной нейтронной звездой, то должно было бы вращаться чрезвычайно быстро, поскольку большой угловой момент увеличил бы максимальный предел массы на 10-15%. Проблема в том, что если бы мы получили так быстро вращающуюся сверхмассивную нейтронную звезду, она должна была бы стать магнетаром с чрезвычайно мощным магнитным полем, в квадриллион раз более мощным, чем поля на поверхности Земли. Но магнетары быстро перестают вращаться и должны коллапсировать в черную дыру через 50 миллисекунд; наши же наблюдения за магнитными полями, вязкостью и нагревом, которые выбросили массу, показывают, что объект существовал сотни миллисекунд.

Что-то здесь не так. Либо у нас быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая по какой-то причине не является магнетаром, либо у нас будут выбросы на сотни миллисекунд, и наша физика не дает нам ответ. При этом, пусть даже ненадолго, скорее всего, у нас была сверхмассивная нейтронная звезда, а за ней и черная дыра. Если оба варианта верны, мы имеем дело с самой массивной нейтронной звездой и самой маломассивной черной дырой за всю историю наблюдений!

Существует предел тому, насколько массивными могут быть нейтронные звезды, и если добавлять и добавлять массы, получится аккурат черная дыра. Этот предел в 2,5 солнечных масс для невращающихся нейтронных звезд означает, что если общая масса слияния будет ниже, вы почти наверняка останетесь с нейтронной звездой после слияния, что приведет к сильным и долгим ультрафиолетовым и оптическим сигналам, которые мы видели в данном случае. С другой стороны, если подняться выше 2,9 солнечных масс, сразу после слияния сформируется черная дыра, вполне вероятно — без ультрафиолетовых и оптических сопровождений.

Так или иначе, наше самое первое слияние нейтронных звезд оказалось именно в середине этого диапазона, когда может появиться сверхмассивная нейтронная звезда, создающая выбросы и оптические и ультрафиолетовые сигналы на протяжении короткого времени. Образуются ли магнетары при менее массивных слияниях? А более массивные — сразу приходят к черным дырам и остаются невидимыми на этих длинах волн? Насколько редкие или распространенные три этих категории слияния: обычные нейтронные звезды, сверхмассивные нейтронные звезды и черные дыры? Через год LIGO и Virgo займутся поисками ответов на эти вопросы, а у теоретиков будет как раз год, чтобы привести свои модели в соответствие с прогнозами.

Этот вопрос весьма сложный. С одной стороны, открытие подтвердило то, что давно подозревали, но никак не могли доказать: что сливающиеся нейтронные звезды действительно производят гамма-лучевые всплески. Но мы всегда считали, что гамма-лучевые всплески испускают гамма-лучи только в узкой конусообразной форме, 10-15 градусов в диаметре. Теперь же мы знаем, из положения слияния и величины гравитационных волн, что гамма-лучевые всплески уходят на 30 градусов от нашей линии визирования, но мы при этом наблюдаем мощный гамма-лучевой сигнал.

Природа гамма-лучевых всплесков должна измениться. Задача теоретиков состоит в том, чтобы объяснить, почему физика этих объектов настолько отличается от предсказанной нашими моделями.

Когда дело доходит до самых тяжелых элементов в периодической таблице, мы знаем, что они произведены по большей части не сверхновыми, а именно слияниями черных дыр. Но чтобы получить спектры тяжелых элементов с расстояния в 100 миллионов световых лет, нужно понимать их прозрачность. Сюда входит понимание атомных физических переходов электронов на орбиталях атома в астрономической обстановке. Впервые у нас есть среда для проверки того, как астрономия пересекается с атомной физикой, и последующие наблюдения слияний должны позволить нам ответить на вопрос о непрозрачности и прозрачности в том числе.

Вполне возможно, что слияние нейтронных звезд происходит постоянно, а когда LIGO достигнет запланированного уровня чувствительности, мы будем находить десятки слияний в год. Также возможно, что это событие было крайне редким и нам повезет видеть лишь по одному за год даже после обновления установок. Следующие десять лет физики-теоретики потратят на поиск ответов на выше описанные вопросы.

Будущее астрономии лежит перед нами. Гравитационные волны — это новый, совершенно независимый способ исследования неба, и сопоставляя небо с гравитационными волнами с традиционными астрономическими картами, мы готовы ответить на вопросы, которые не осмеливались задать еще неделю назад.