Содержание
Слияние нейтронных звезд разгоняет частицы до 99,97% скорости света
Космос
13 октября 2022
Далее
Александр
Шереметьев
новостной редактор
Александр
Шереметьев
новостной редактор
Астрофизики измерили скорость потока частиц, вызванного столкновением двух нейронных звезд. Она превышает 99,97% скорости света.
Читайте «Хайтек» в
В августе 2017 года астрофизики наблюдали мощное взрывное событие, которое получило название GW170817.
Это был первый зарегистрированный гравитационно-волновой всплеск, произошедший в результате слияния двух нейтронных звезд. Он высвободил энергию, сравнимую с энергией взрыва сверхновой.
Всего два дня спустя ученые настроили космический телескоп «Хаббл», чтобы наблюдать за последствиями взрыва. Нейтронные звезды коллапсировали в черную дыру, мощная гравитация которой начала притягивать к себе материю. Этот материал сформировал быстро вращающийся диск, который генерировал струи, вырывающиеся из его полюсов. Эти джеты сталкивались с расширяющейся оболочкой взрывных обломков и захватывала частицы материала.
Наблюдения за слиянием звезд телескопом «Хаббл». Изображение: Hubble Space Telescope, NASA and ESA, Public domain, via Wikimedia Commons
Объединив различные наблюдения, ученые смогли точно определить место взрыва. Измерения «Хаббла» показали, что струя двигалась с видимой скоростью, в семь раз превышающей скорость света. Радионаблюдения показывают, что спустя какое-то время струя замедлилась до кажущейся скорости, в четыре раза превышающей скорость света.
На самом деле ничто не может превысить скорость света, объясняют ученые. «Сверхсветовое» движение — зрительная иллюзия, связанная со спецификой наблюдения. Поскольку струя приближается к Земле почти со скоростью света, свету, который она излучает в более позднее время, требуется пройти меньшее расстояние. Это напоминает ситуацию, в которой частицы материала струи догоняют собственный свет (фотоны), все время испуская новые.
Тем не менее реальная скорость джета рассчитанная учеными тоже поражает воображение. Частицы, выброшенные во время взрыва, удаляются от черной дыры со скорость не менее 99,97% скорости света (299,7 тыс. км/с).
Читать далее:
Создан компактный ядерный реактор для безопасного производства энергии
Необычные структуры нашли на границе Солнечной системы. Там побывали только «Вояджеры»
Черная дыра «выплюнула» разорванную звезду через три года после поглощения
На обложке: художественная иллюстрация слияния нейтронных звезд.
Изображение: Elizabeth Wheatley (STScI)
Читать ещё
Слияния двойных нейтронных звезд впервые смоделировали. Это новая неизвестная физика
Елизавета
Приставка
Новостной редактор
Ученые создали первое в истории моделирование процесса слияния двойных нейтронных звезд. Это поможет понять, как ведет себя темная материя.
Читайте «Хайтек» в
Моделирование поможет проверить теории, которые выходят за рамки общей теории относительности, например, воспроизводят поведение темной энергии. Это позволит сравнить теорию Эйнштейна и ее измененные версии, а при наличии достаточно точных данных может разгадать тайну темной энергии.
Слияние двойной нейтронной звезды
Вот уже около 100 лет общая теория относительности хорошо описывает гравитацию в различных режимах.
Но чтобы объяснить, например, ускоренное расширение Вселенной, необходимо ввести в теорию некоторые коррективы — учесть такие компоненты, как темная материя и темная энергия, которые все еще остаются загадкой.
Энрико Барауссе, астрофизик из SISSA (Международная высшая школа исследований Аванзати) и главный исследователь гранта ERC GRAMS (Гравитация от астрофизических до микроскопических масштабов), задается вопросом, реальна ли темная энергия или это нарушение в том, как мы понимает гравитацию.
Существование темной энергии может быть просто иллюзией. Ускоренное расширение Вселенной может быть вызвано некоторыми еще неизвестными модификациями общей теории относительности, своего рода «темной гравитацией».
Энрико Барауссе, астрофизик SISSA
Слияние нейтронных звезд — это уникальная ситуация, которая позволяет проверить эту гипотезу, так как гравитация вокруг них находится в экстремальном состоянии.
Нейтронные звезды — это самые плотные из существующих звезд, их радиус обычно до 10 км, но масса в один или два раза превышает массу Солнца. Это делает гравитацию и пространство-время вокруг них экстремальными. Происходит активная генерация гравитационных волн, когда две из них сталкиваются. Мы можем использовать данные, полученные во время таких событий, для изучения работы гравитации и проверки теории Эйнштейна.
Энрико Барауссе, астрофизик SISSA
Благодаря этим моделированиям исследователи наконец-то смогли сравнить общую теорию относительности и модифицированную гравитацию.
Удивительно, но мы обнаружили, что гипотеза «темной гравитации» так же хорошо подходит, как и общая теория относительности, чтобы объяснить процесс столкновения двойных нейтронных звезд.Действительно, различия между двумя теориями в этих системах довольно тонкие, но их можно найти с помощью гравитационного интерферометра следующего поколения, например, телескопа Эйнштейна в Европе. Это поможет использовать гравитационные волны, чтобы отличить темную материю и «темную гравитацию».
Энрико Барауссе, астрофизик SISSA
Действительно, различия между двумя теориями в этих системах довольно тонкие, но их можно найти с помощью гравитационного интерферометра следующего поколения, например, телескопа Эйнштейна в Европе. Это поможет использовать гравитационные волны, чтобы отличить темную материю и «темную гравитацию».Авторы отмечают, что их открытие поможет использовать гравитационные волны, чтобы отличить темную материю и «темную гравитацию».
Читать далее
Самое большое генеалогическое древо человечества показало историю нашего вида
Разработано экологически чистое топливо на основе диоксида углерода
Великую пирамиду Хеопса изучат с помощью космических лучей
Последствия слияния нейтронных звезд
Слияние двойных нейтронных звезд, в результате которого образовался GW170817, также стало источником неожиданно слабого гамма-всплеска.
Однако оказалось, что этот всплеск был не менее энергичным, чем средний; скорее, струя, которая его произвела, имела необычную структуру. Так что же заставило реактивный самолет, связанный с GW170817, выглядеть именно так?
Диаграмма, показывающая электромагнитное излучение, возникающее в результате слияния двойных нейтронных звезд, в результате которого образовался GW170817. Центральная струя, создавшая гамма-всплеск, смещена от линии обзора на 30 градусов. [С. Бикель/ Наука ]
Начало слияния струй
Окружающая среда слияния двойных нейтронных звезд является турбулентной и энергичной. Слияние объектов может вызывать сильные ветры и терять большое количество массы, а фактическое слияние приводит к сильному излучению во всем электромагнитном спектре. Электромагнитный сигнал от гравитационно-волнового события GW170817 включал относительно короткий гамма-всплеск (GRB) 170817A, который оказался намного слабее и, следовательно, менее энергичным, чем ожидалось.
Некоторые астрономы предположили, что гамма-всплеск 170817A принадлежит к классу гамма-всплесков, которые просто по своей природе были менее энергичными, но другие предположили, что гамма-всплеск 170817A был типичным коротким гамма-всплеском с полярными джетами, запущенными после столкновения, который был ориентирован за пределами нашей линии зрение. Дальнейшее исследование подтвердило последнее предсказание, но оно также показало, что струи, связанные с GRB 170817A, имеют несколько необычную структуру, особенно по направлению к их внешним краям. Чем могло быть вызвано это отклонение от нормы?
Чтобы исследовать этот вопрос, группа исследователей под руководством Ариадны Мургия-Бертье (Калифорнийский университет в Санта-Крузе/Университет Копенгагена, Дания) провела моделирование ветров и центральных струй, участвующих в слиянии нейтронных звезд, чтобы увидеть, как структура струи находятся под влиянием окружающей среды.
Моделирование реактивных самолетов, которые были (сверху вниз) забиты, незначительно успешны и успешны.
Параметр t w — это время, когда ветры активны, а t j — это время, когда центральный двигатель активен. [Адаптировано из Murguia-Berthier et al. 2021]
Освобождение от ветра
Есть несколько параметров, которые следует учитывать при моделировании движения струи через среду слияния. Примечательно, что остатку слияния требуется конечное время, чтобы схлопнуться (скорее всего) в черную дыру с аккреционным диском. Коллапс запускает струю, которая вызовет короткий гамма-всплеск. Окружающие ветры зависят от этого времени коллапса, и их плотность потенциально может погасить струю, не давая ей произвести короткий гамма-всплеск. Мургия-Бертье и его сотрудники сосредоточились на том, как эти ветры и дисковые потоки повлияют на струю.
Реактивному самолету нужно время, чтобы набрать достаточную силу, чтобы пробиться сквозь окружающие ветры, поэтому центральный двигатель, приводящий в действие реактивный самолет, должен оставаться активным до тех пор, пока реактивный самолет не станет достаточно сильным.
Этот баланс между силой струи и силой ветра играет большую роль в том, сможет ли струя успешно пробиться из среды слияния и сформировать короткий гамма-всплеск. Кроме того, пока струя набирает силу и движется против ветра, дополнительная энергия накапливается в «коконе» вокруг струи. Этот энергетический кокон развивается в зависимости от окружающей среды и также может влиять на структуру струи.
Слияние с наблюдениями
Мургия-Бертье и его сотрудники исследовали слияния с множеством различных параметров, но особый интерес представляли параметры, связанные с GW170817. Килонова, сопровождавшая слияние, и задержка между сигналом гравитационных волн и гамма-всплесками помогли сузить возможные сценарии формирования этого наблюдаемого взрыва. С помощью своего моделирования Мургия-Бертье и его сотрудники обнаружили, что время, необходимое для того, чтобы остаток слияния превратился в черную дыру, составляло от 1 до 1,7 секунды. Удивительно, но этот диапазон согласуется со многими значениями из предыдущих исследований, в которых использовались совершенно разные подходы к оценке времени коллапса!
Мургия-Бертье и его сотрудники предупредили читателей, что симуляции не могут охватить все физические сценарии.
Однако эта работа является демонстрацией того, как можно использовать моделирование с ограничениями наблюдений, чтобы лучше объяснить результат слияния нейтронных звезд.
Цитация
«Судьба остатка слияния в GW170817 и его отпечатках на структуре реактивной реакции», Ariadna Murguia-Berthier и др. abd08e
гамма-всплески гравитационные волны слияния нейтронные звезды моделирование
столкновений нейтронных звезд — это «золотая жила» тяжелых элементов | MIT News
Большинство элементов легче железа выкованы в ядрах звезд. Раскаленный добела центр звезды подпитывает синтез протонов, сжимая их вместе для создания все более тяжелых элементов. Но помимо железа ученые ломали голову над тем, что может дать начало золоту, платине и остальным тяжелым элементам Вселенной, для образования которых требуется больше энергии, чем может собрать звезда.
Новое исследование, проведенное учеными из Массачусетского технологического института и Университета Нью-Гэмпшира, показало, что из двух давно предполагаемых источников тяжелых металлов один является более золотым прииском, чем другой.
В исследовании, опубликованном сегодня в Astrophysical Journal Letters , сообщается, что за последние 2,5 миллиарда лет при слиянии двойных нейтронных звезд или при столкновениях двух нейтронных звезд было произведено больше тяжелых металлов, чем при слиянии нейтронной звезды и черная дыра.
Это первое исследование, в котором два типа слияния сравниваются с точки зрения их выхода тяжелых металлов, и предполагается, что двойные нейтронные звезды являются вероятным космическим источником золота, платины и других тяжелых металлов, которые мы видим сегодня. Полученные данные также могут помочь ученым определить скорость, с которой тяжелые металлы производятся во Вселенной.
«Что нас вдохновляет в нашем результате, так это то, что с некоторой степенью уверенности мы можем сказать, что двойные нейтронные звезды, вероятно, являются скорее золотой жилой, чем слияния нейтронных звезд и черных дыр», — говорит ведущий автор Синь-Ю Чен, постдоктор Массачусетского технологического института.
Кавли Институт астрофизики и космических исследований.
Соавторами Чена являются Сальваторе Витале, доцент физики Массачусетского технологического института, и Франсуа Фукар из UNH.
Эффективная вспышка
Поскольку звезды подвергаются ядерному синтезу, им требуется энергия для синтеза протонов с образованием более тяжелых элементов. Звезды эффективно производят более легкие элементы, от водорода до железа. Однако синтез более 26 протонов в железе становится энергетически неэффективным.
«Если вы хотите отказаться от железа и создать более тяжелые элементы, такие как золото и платина, вам нужен другой способ соединения протонов», — говорит Витале.
Ученые подозревают, что ответом могут быть сверхновые звезды. Когда массивная звезда превращается в сверхновую, железо в ее центре предположительно может объединяться с более легкими элементами в экстремальных осадках, образуя более тяжелые элементы.
Однако в 2017 году был подтвержден многообещающий кандидат в виде слияния двойных нейтронных звезд, впервые обнаруженный LIGO и Virgo, гравитационно-волновыми обсерваториями в США и Италии соответственно.
Детекторы уловили гравитационные волны, или рябь в пространстве-времени, которые возникли на расстоянии 130 миллионов световых лет от Земли в результате столкновения двух нейтронных звезд — коллапсирующих ядер массивных звезд, заполненных нейтронами и являющихся одними из самых плотных объектов в космосе. вселенная.
Космическое слияние испустило вспышку света, которая содержала следы тяжелых металлов.
«Величина золота, произведенного в результате слияния, в несколько раз превышает массу Земли», — говорит Чен. «Это полностью изменило картину. Математика показала, что двойные нейтронные звезды были более эффективным способом создания тяжелых элементов по сравнению со сверхновыми».
Двойная золотая жила
Чен и ее коллеги задались вопросом: как можно сравнить слияния нейтронных звезд со столкновениями нейтронной звезды и черной дыры? Это еще один тип слияния, который был обнаружен LIGO и Virgo и потенциально может быть заводом по производству тяжелых металлов.
Ученые подозревают, что при определенных условиях черная дыра может разрушить нейтронную звезду так, что она вспыхнет и извергнет тяжелые металлы, прежде чем черная дыра полностью поглотит звезду.
Команда решила определить количество золота и других тяжелых металлов, которое обычно может производить каждый тип слияния. Для своего анализа они сосредоточились на обнаружениях LIGO и Virgo на сегодняшний день двух слияний двойных нейтронных звезд и двух слияний нейтронных звезд и черных дыр.
Исследователи сначала оценили массу каждого объекта при каждом слиянии, а также скорость вращения каждой черной дыры, рассудив, что если черная дыра слишком массивна или медленна, она поглотит нейтронную звезду, прежде чем у нее появится шанс производят тяжелые элементы. Они также определили устойчивость каждой нейтронной звезды к разрушению. Чем более устойчива звезда, тем меньше вероятность того, что она будет производить тяжелые элементы. Они также оценили, как часто происходит одно слияние по сравнению с другим, основываясь на наблюдениях LIGO, Virgo и других обсерваторий.
Наконец, команда использовала численное моделирование, разработанное Фукартом, чтобы рассчитать среднее количество золота и других тяжелых металлов, которое будет производить каждое слияние, с учетом различных комбинаций массы объектов, вращения, степени разрушения и скорости появления.
В среднем исследователи обнаружили, что слияния двойных нейтронных звезд могут генерировать от двух до 100 раз больше тяжелых металлов, чем слияния нейтронных звезд и черных дыр. По оценкам, четыре слияния, на которых они основывали свой анализ, произошли в течение последних 2,5 миллиардов лет. Затем они заключают, что за этот период в результате слияний двойных нейтронных звезд было произведено, по крайней мере, больше тяжелых элементов, чем в результате столкновений нейтронных звезд и черных дыр.
Чаша весов могла бы склониться в пользу слияния нейтронных звезд и черных дыр, если бы черные дыры имели высокие спины и малые массы. Однако ученые еще не наблюдали такого рода черные дыры в двух обнаруженных на сегодняшний день слияниях.