Гравитационные волны показывают черные дыры поглощают нейтронные звезды

Астрофизики обнаружили первое слияние черной дыры и нейтронной звезды

Черная дыра может разорвать нейтронную звезду, как в этой модели, или поглотить ее целиком.

Назовите это астрофизическим эквивалентом Кинг-Конга против Годзиллы: ученые обнаружили два случая, когда черная дыра поглотила нейтронную звезду, сверхплотную сферу ядерной материи, оставшуюся после того, как звезда среднего веса сгорела и взорвалась. Слияния массивных объектов были обнаружены с помощью ряби в пространстве и времени или гравитационных волн, которые испускались при их столкновении. Ученые ранее наблюдали слияние черной дыры с черной дырой или нейтронной звезды с нейтронной звездой и с тревогой ожидали открытия таких смешанных пар.

“Большинство людей подозревали, что черные дыры сливаются с нейтронными звездами, но мы впервые видим это с уверенностью”, – говорит Майя Фишбах, астроном гравитационных волн из Северо-Западного университета, которая помогла сделать это открытие. Однако в обоих случаях астрономы не видели видимого света или другого электромагнитного излучения, что заставляло их жаждать слияния, при котором черная дыра рассеивает светящиеся внутренности нейтронной звезды по небу и помогает раскрыть ее секреты.

Пять лет назад физики впервые обнаружили гравитационные волны, которые испускались, когда две массивные черные дыры вращались вместе и сливались. Открытие было сделано Лазерной интерферометрической обсерваторией гравитационных волн (LIGO), парой массивных оптических приборов в Луизиане и Вашингтоне, которые используют лазерные лучи для измерения растяжения пространства с потрясающей точностью.

Год спустя к поиску присоединился европейский детектор гравитационных волн Virgo в Италии, и в течение нескольких дней три детектора обнаружили две нейтронные звезды, вращающиеся вместе. Слияние нейтронных звезд вызвало вспышку, называемую гамма-всплеском, а затем взрыв, известный как килонова, выбросивший в космос новообразованные элементы. Обнаруженный телескопами в электромагнитном спектре, фейерверк позволил астрофизикам установить ограничения на свойства вещества нейтронных звезд, проверить свою теорию гамма-всплесков и лучше понять происхождение тяжелых элементов.

Это слияние нейтронных звезд пробудило аппетиты многих исследователей к третьему типу космической катастрофы, которая, по-видимому, должна была вызвать гравитационные волны: слияние черной дыры и нейтронной звезды. Некоторые астрофизики утверждали, что такое событие было бы еще более показательным, поскольку безликая черная дыра – сверхсильное гравитационное поле, оставленное массивной звездой, которая схлопнулась в точку,  разрывает более сложную нейтронную звезду. Они надеются, что такое столкновение может осветить структуру нейтронных звезд беспрецедентным образом.

Теперь команды LIGO и Virgo заметили два долгожданных события. Более сильный из сигналов активировал все три детектора 15 января 2020 года, и данные показывают, что он сформировался, когда черная дыра с предполагаемым весом в шесть Солнц поглотила нейтронную звезду размером 1,5 Солнца. Десятью днями ранее исследователи заметили черную дыру массой девять солнечных масс, сливающуюся с нейтронной звездой массой 1,9 солнечных масс. Оба события произошли примерно в 1 миллиарде световых лет от нас, как сообщается сегодня в сообщениях астрофизического журнала групп LIGO и Virgo.

Исследователи LIGO и Virgo также исключили пару событий, которые, как они ранее предполагали, могли быть слиянием черной дыры и нейтронной звезды. Например, вибрации, обнаруженные в августе 2019 года, теперь, по-видимому, связаны с черной дырой, сливающейся с объектом в 2,6 раза массивнее Солнца, который слишком тяжел, чтобы быть нейтронной звездой. Возможно, это была необычная, очень яркая черная дыра.

К сожалению для астрофизиков, ни одно слияние черной дыры и нейтронной звезды не привело к взрыву, по-видимому, благодаря электромагнитным телескопам, которые сканировали их местоположение. Это могло быть потому, что они были так далеко, или это могло быть потому, что черная дыра просто поглотила всю нейтронную звезду, говорит Фишбах, который является частью команды LIGO. Черная дыра, скорее всего, полностью поглотит нейтронную звезду, если черная дыра намного массивнее нейтронной звезды, которая не может весить более 2,2 солнечных масс, или если черная дыра медленно вращается, говорит Брайан Метцгер, астрофизик-теоретик из Колумбийского университета и Института Флэтирона.

Такое слияние разорвет нейтронную звезду на части и вызовет взрыв только в том случае, если нейтронная звезда перед падением будет вращаться вокруг черной дыры на расстоянии, равном ее собственному радиусу – около 12 или 13 километров, объясняет Мецгер. Но насколько близко может вращаться нейтронная звезда, зависит от массы и вращения черной дыры, и нейтронная звезда может приблизиться, если черная дыра вращается быстрее. Теория предсказывает, что черная дыра с дюжиной солнечных масс, вращающаяся с максимальной скоростью, должна разорвать нейтронную звезду и вызвать взрыв. Черная дыра, которая не вращается, поглотит всю нейтронную звезду, если она весит всего пять солнечных масс.

По словам Мецгера, LIGO обнаружил дюжину пар черных дыр, и его данные до сих пор свидетельствуют о том, что большинство черных дыр вращаются медленно и, вероятно, полностью поглотят партнерскую нейтронную звезду. “Я думаю, все просто предполагали, что они будут вращаться быстрее.” С этим наблюдением приходит понимание того, что взрывы в результате слияния черной дыры и нейтронной звезды могут быть редкими, говорит Мецгер, особенно потому, что LIGO и Virgo более чувствительны к более тяжелым черным дырам.

Однако данные двух новых событий свидетельствуют о том, что на кубический световой год пространства приходится больше слияний черных дыр и нейтронных звезд, чем слияний черных дыр, говорит Фишбах. Хотя их меньше, более громкие сигналы от черной дыры к черной дыре могут быть обнаружены гораздо дальше. Таким образом, все еще существует вероятность того , что LIGO и Virgo обнаружат слияние черной дыры и нейтронной звезды со световым шоу, которого все с нетерпением ждут, говорит Фишбах.

Читайте также: