В космосе многие звёзды можно найти парами, грациозно вращающимися друг вокруг друга. Однако одно из самых драматических сочетаний происходит между двумя чёрными дырами, образовавшимися после взрыва их массивных звёзд-прародителей во время вспышек сверхновых. Если эти чёрные дыры окажутся достаточно близко друг к другу, они в конечном итоге столкнутся и образуют ещё более массивную чёрную дыру.
Иногда чёрную дыру сопровождает нейтронная звезда — плотный «труп» звезды, также образовавшийся после взрыва сверхновой, но имеющий меньшую массу, чем чёрная дыра. Когда эти два тела наконец сольются, чёрная дыра, как правило, поглотит нейтронную звезду целиком.
Чтобы лучше понять экстремальную физику, лежащую в основе такой ужасной гибели, исследователи из Калифорнийского технологического института используют суперкомпьютеры для моделирования столкновений чёрных дыр и нейтронных звёзд. В одном исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal Letters, команда под руководством Элиаса Моста, доцента теоретической астрофизики Калифорнийского технологического института, разработала наиболее детальную симуляцию жестоких землетрясений, разрывающих поверхность нейтронной звезды примерно за секунду до того, как чёрная дыра поглотит её.
«Кора нейтронной звезды треснет, как земля во время землетрясения», — говорит Мост. «Гравитация чёрной дыры сначала срезает поверхность, вызывая землетрясения в звезде и открытие разломов».
Хотя трещины в коре нейтронной звезды предсказывались и ранее, моделирование впервые демонстрирует, какие световые вспышки астрономы могут увидеть в будущем, направив телескопы в космосе и на Земле на такое событие.
«Это выходит за рамки образовательных моделей явления — это реальная симуляция, включающая всю соответствующую физику, происходящую, когда нейтронная звезда разбивается, как яйцо», — говорит соавтор Катерина Хатзиянну, доцент физики в Калифорнийском технологическом институте и стипендиат Уильяма Х. Хёрта.
Во второй, более поздней статье, опубликованной в The Astrophysical Journal Letters в этом году, команда использовала суперкомпьютер для моделирования того, что происходит после разрушения нейтронной звезды — краткого миллисекундного окна, когда чудовищные ударные волны, самые мощные из предсказанным ударных волн во Вселенной, расходятся от звезды. Эти чудовищные ударные волны были предсказаны только недавно соавтором Андреем Белобородовым из Колумбийского университета. Теперь моделирование, наряду с другим, из другого исследования, опубликованного командой в прошлом году, впервые показывает, как они формируются.
Более того, последнее моделирование не останавливается, когда образуются чудовищные ударные волны — оно показывает, как нейтронная звезда поглощается, что затем приводит к созданию экзотического объекта, называемого пульсаром чёрной дыры.
Классическим пульсаром является сильно намагниченная нейтронная звезда, излучающая пучки радиации, которые проносятся вокруг, как маяк, когда звезда вращается вокруг своей оси. Пульсар чёрной дыры — это гипотетический объект, в котором чёрная дыра запускает магнитные ветры, которые также проносятся вокруг неё, когда она вращается, имитируя появление пульсара. Хотя ранее предполагалось существование пульсаров чёрной дыры, моделирование впервые показывает, как такой редкий объект может фактически образоваться в природе в результате столкновения нейтронной звезды и чёрной дыры.
«Когда нейтронная звезда погружается в чёрную дыру, запускаются чудовищные ударные волны», — говорит Юнсу Ким, аспирант Калифорнийского технологического института, работающий с Мостом, и ведущий автор исследования о чудовищных ударных волнах и пульсарах чёрной дыры. «После того как звезда будет затянута внутрь, образуются кнутовидные ветры, создающие пульсар чёрной дыры. Но чёрная дыра не может поддерживать свои ветры и снова утихнет через несколько секунд».
Подобно симуляции, изображающей трещины в нейтронной звезде, это также предсказывает характеристики результирующих вспышек, которые астрономы могут увидеть в телескопы. В мимолетные моменты, когда чудовищные ударные волны разрывают наружу и формируется пульсар чёрной дыры, телескопы могут уловить всплески радиоволн или комбинацию рентгеновских и гамма-лучей.
Исследования, проведённые Мостом и его коллегами, обеспечивают более глубокое понимание физики, стоящей за некоторыми из наиболее энергичных событий во Вселенной.