формирование двойных нейтронных звёзд

Двадцать тысяч лет назад звезда, которая потом станет сверхновой 1987A, надела на себя кольцо. Не одно — три. Внешние два, как абажуры, встали под углом к экваториальному, и свет звезды, пробиваясь сквозь них, почти не доходил до наблюдателя, окажись тот в плоскости экваториального кольца. Так звезда на несколько сотен лет погасла до пяти процентов прежней яркости.

Представьте себе два волчка, запущенных на столе. Если они вращаются в одну сторону, их общее вращение велико; если навстречу друг другу — суммарное вращение может быть нулевым, хотя каждый волчок по отдельности вертится быстро. В паре нейтронных звёзд, сближающихся перед слиянием, роль таких волчков играют их собственные вращения — спины.

Нейтронная звезда — это компактный остаток массивной звезды после вспышки сверхновой. Вещество в ней сжато до ядерной плотности: чайная ложка такого материала весила бы как гора. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны упакованы вплотную, и при колоссальном давлении могут рождаться гипероны — барионы, содержащие странный кварк.

Коллапс ядра звезды похож на сжатие пружины: вещество падает внутрь, а в центре рождается нейтронная звезда. Но падение не бывает идеально ровным. В кипящих внешних слоях случайные завихрения передают вращение падающему газу — и вокруг центрального объекта закручивается диск. Этот диск — не спокойная река. Он пульсирует: то усиливается, то затухает.

Три миллисекунды до слияния. Огромная чёрная дыра с бешеной скоростью вращения втягивает в себя нейтронную звезду — шар размером с город, но с массой в полтора Солнца. Приливные силы растягивают звезду в тонкую, как игла, нить и расшвыривают вещество прочь.

Бильярдный шар щёлкает о другой в полной темноте. Звук удара и стук упавших в лузу шаров — вот и всё, что слышно. Примерно так физики изучают взаимодействия элементарных частиц при энергиях, которые ни один земной ускоритель не способен воспроизвести. В новой работе астрофизики превратили целые галактики в гигантские лаборатории, а детекторами стали кубические километры антарктического льда и воды Средиземного моря.

Нейтронная звезда — это бывшее ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Но внутри этого сверхплотного шара может скрываться сюрприз: под немыслимым давлением нейтроны распадаются на кварки, и звезда получает новое, более компактное ядро.

Загадка антивещества в космосе не давала покоя астрофизикам: откуда берутся позитроны, что снежинками оседают в детекторах? Ответ может прятаться в самом вездесущем гамма-фоне. Вселенная пропитана рассеянным светом — космическим фотонным фоном (CPB).

Детекторы LIGO и Virgo ловят рябь пространства-времени, но некоторые сигналы заставляют переписывать сценарии звёздной смерти. GW190814 — слияние чёрной дыры в 23 массы Солнца с компактным объектом в 2,6 солнечных — дисгармоничный аккорд в симфонии стандартных моделей.

Детекторы регистрируют «рябь» пространства-времени — гравитационные волны, порождённые слиянием чёрных дыр или нейтронных звёзд. Это словно эхо кухни, где готовилось космическое блюдо. Астрономы пытаются восстановить рецепт: как две массивные звезды превратились в экзотическую пару и столкнулись.

Две нейтронные звезды — сверхплотные остатки массивных светил — кружатся в последнем танце. Если их собственное вращение совпадает с движением по орбите, партнёры сливаются аккуратно, выбрасывая узкий луч раскалённого вещества. Если же они крутятся навстречу — танец ломается, разбрасывая густую пелену обломков.

Две выгоревшие звезды размером с Землю — но каждая тяжелее Солнца — кружатся всё ближе, пока одна не врезается в другую. Удар запускает термоядерный взрыв, и рождается сверхновая типа Ia. Такие вспышки служат космическими маяками для измерения расстояний во Вселенной. Однако детали их возникновения до сих пор вызывают споры.

Лампочка, которая не перегорает, а вспыхивает всё ярче и ярче, пока не разнесёт весь светильник. Примерно так умирают самые массивные звёзды во Вселенной. Когда ядро звезды раскаляется до миллиардов градусов, в нём начинают рождаться пары частиц — электроны и их антиподы, позитроны. Этот процесс забирает энергию, которая раньше держала звезду, и она схлопывается, но не тихо, а с чудовищным термоядерным взрывом.

Волчок крутится с огромной скоростью и вместо ровного жужжания издаёт тихое гудение — потому что он чуть-чуть помят. Примерно так работают нейтронные звёзды: шары размером с город, сжатые до такой плотности, что чайная ложка их вещества весит как гора.

В 2017 году детекторы уловили дрожь пространства — гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. В тот же миг телескопы увидели вспышку. Так впервые одно событие заговорило сразу на двух языках: света и тяготения. Но чем дольше астрономы следили за угасающим свечением, тем страннее оно себя вело.

Когда две нейтронные звезды сталкиваются, рождается вспышка, которая светит как миллион Солнц. В 2017 году астрономы впервые увидели такую вспышку — событие AT2017gfo. Теперь ученые построили компьютерные модели, чтобы понять, как именно возникает этот свет. В новом исследовании смоделировали разные варианты столкновений: меняли массы звезд, их общую массу и свойства вещества.

Be-звёзды — это быстро вращающиеся светила, окружённые ярким газовым диском. Обычно их раскручивает звезда-компаньон: вещество, перетекая с соседки, закручивает звезду, словно пулю в нарезном стволе — аналогия, упрощённо передающая передачу углового момента через аккрецию. Однако встречаются и одинокие Be-звёзды без пары, и их происхождение долго оставалось загадкой.

Каждые 15 часов в созвездии, до которого от нас 57 световых лет, происходит маленькое солнечное затмение. Крошечный белый карлик — звезда размером с Землю, но тяжелее Солнца — ныряет за диск красного карлика. Для астрономов это не просто красивое совпадение, а способ заглянуть в прошлое звёздной пары.

Волчок, который крутится так быстро, что успевает сделать 220 оборотов за одну секунду, — именно такой объект поймал китайский радиотелескоп FAST. Это пульсар PSR J1810-0623, нейтронная звезда размером с город, но массой больше Солнца. Каждые 4,55 миллисекунды его радиолуч проносится мимо Земли, как маяк в космическом океане. Этот пульсар не одинок.

В чрезвычайно далёкой галактике зажглась своего рода космическая неоновая вывеска: почти всё её излучение исходит от раскалённого газа, а звёзды буквально теряются в этом сиянии. Инструменты «Джеймса Уэбба» зафиксировали, что газ — смесь водорода и гелия — разогрет настолько, что светится сам, без помощи звёзд.

Двойные нейтронные звёзды — это пары сверхплотных остатков взорвавшихся массивных звёзд. Они кружатся друг вокруг друга и постепенно сближаются, пока не сольются в мощной вспышке — источнике гравитационных волн. Но где именно образуются такие пары? Один из вариантов — внутри звёздных скоплений, где звёзд много и они тесно взаимодействуют.

Двойная система SS433 известна тем, что чёрная дыра в ней сдирает вещество со звезды-соседки. Часть газа падает в дыру, а часть выбрасывается двумя узкими струями, которые крутятся, как юла. Эти струи видны в радиодиапазоне и в рентгене.

В плотном ядре шарового скопления NGC 6397, где звёзды теснятся как пассажиры в час пик, астрономы заметили странную пару. Одна звезда — белый карлик с температурой поверхности 16 000 К (раскалённый остаток звезды, остывающий миллиарды лет), а рядом с ней кружится невидимый компаньон. Они оборачиваются вокруг общего центра масс за 0,54 дня — быстрее, чем Земля вокруг своей оси.

Широкие пары звёзд похожи на двух танцоров, которые держатся за руки, но стоят в разных концах зала. Их связь слабая, и любой прохожий может их разнять. Астрономы нашли 26 таких пар и проверили, насколько крепко они держатся. Оказалось, 12 пар танцуют по правилам Ньютона: их орбиты можно вычислить, как для планет вокруг Солнца. Но три пары движутся слишком быстро.

В глубине космоса есть облако газа, похожее на ожерелье с яркими бусинами. Это туманность Ожерелье — остатки звезды, которая когда-то раздулась и поглотила своего соседа. В центре осталась пара: маленькая горячая звезда и её раздувшийся компаньон, богатый углеродом.

Массивные звёзды завершают жизнь грандиозным взрывом — сверхновой. Их ядра сжимаются в нейтронную звезду — сверхплотный объект, где чайная ложка вещества весит миллиард тонн, — или в чёрную дыру. Долгое время самый распространённый тип таких вспышек считали уделом одиночных светил. Однако сверхновая SN 2018gj нарушила это правило.

В звёздном скоплении, как в переполненном танцполе, массивные звёзды редко остаются в одиночестве. Чаще всего они кружатся в парах или тройках, и расстояние между ними может быть меньше, чем от Земли до Солнца. Но как им удаётся так тесно прижаться друг к другу? Моделирование показало: всё дело в диске из газа и пыли, который окутывает пару.

Две звезды кружатся в тесном танце. Одна — нейтронная звезда, сверхплотный шар размером с город, но массой как полтора Солнца. Вторая — обычная звезда, которая раздувается и переливает своё вещество на соседку. Иногда этот перелив идёт слишком быстро, и звёзды окутывает общая газовая оболочка — как две ложки в одной кастрюле с кипящим супом.

Представьте мост через реку, у которого вырвана середина: машины на том берегу — неожиданность. Так астрономы долго смотрели на чёрные дыры с массой от 50 до 130 солнечных: звёзды, способные их породить, взрываются как сверхновые парной нестабильности.