Согласно исследованиям астрофизиков, черная дыра, образовавшаяся при слиянии нейтронных звезд различной массы, способна генерировать мощную струйную эмиссию, по интенсивности сопоставимую с короткими гамма-всплесками — наиболее энергичными и яркими явлениями во Вселенной.
Нейтронные звезды, одни из самых необычных объектов во Вселенной, являются чрезвычайно плотными останками звезд, которые завершили свое существование во время взрывов сверхновых. Их масса может быть больше 2,1-2,3 солнечных масс, а слияние этих объектов, сопровождаемое излучением гравитационных волн, ведет к образованию более массивной нейтронной звезды или черной дыры.
Поскольку непосредственное изучение этих звездных остатков невозможно, равно как и воссоздание процесса их слияния в лабораторных условиях (в связи с чрезвычайно высокими плотностями и давлением), то теоретические исследования в основном опираются на методы вычислительного моделирования, в том числе на решения, основанные на Общей теории относительности. Благодаря этим моделям астрофизики смогли предсказать и зафиксировали гравитационно-волновые сигналы, испускаемые при слиянии нейтронных звезд.
Чтобы выяснить, способна ли недавно образовавшаяся в результате слияния черная дыра генерировать мощные и узконаправленные потоки энергии, известные как джеты, авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, разработали на японском суперкомпьютере Fugaku самую детальную и подробную модель этой космической драмы. Слияние подобных систем наблюдалось в 2019 году (событие GW190425), однако тогда черная дыра образовалась слишком быстро и ученые не смогли зафиксировать четкий электромагнитный сигнал.
Недавнее исследование, проведенное группой ученых под руководством Коты Хаяши из Института Макса Планка (Германия) и Института теоретической физики Юкавы (Япония), показало, что слияние нейтронных звезд различной массы может спровоцировать образование аккреционного диска и порождение мощной струи вещества. Яркость этой струи оказывается сопоставимой с гамма-всплесками — мощнейшими электромагнитными вспышками, которые возникают в процессе взрывов сверхновых или при слиянии компактных объектов.
Согласно результатам моделирования, черные дыры, сформировавшиеся из звездных остатков с массами 1,25 и 1,65 солнечной массы, сопровождаются аккреционным диском в форме вихря. При этом, через приблизительно 0,3 секунды после слияния, вдоль оси вращения образовался мощный джет, чья светимость оказалась в 2,6 квадриллиона раз больше солнечной.
Астрофизики пришли к выводу, что формирование джета возможно при непосредственном схлопывании, что исключает необходимость в промежуточном этапе существования нейтронной звезды. Для этого достаточно массивного аккреционного диска и стабильного магнитного поля.
В ходе научной работы были учтены магнитные поля, гравитационные волны, нейтронное излучение и турбулентность, однако ускорение джета до ультрарелятивистских скоростей, необходимых для возникновения наблюдаемых гамма-всплесков, в ней не смоделировано. В будущем, если ученым удастся зарегистрировать гравитационные волны, испущенные при подобных событиях, и одновременно зафиксировать гамма-всплеск, модель получит экспериментальное подтверждение.
«Это лишь первый этап. Мы заложили теоретическую базу, поэтому теперь предстоит провести эксперименты, наблюдения и разработать новые симуляции», — подытожил Хаяши.