Загадочное рентгеновское излучение могло оказаться килоновым «послесвечением» нейтронной звезды 2017 года

Еще в 2017 году астрономы зафиксировали явление, известное как «килонова»: слияние двух нейтронных звезд, сопровождающееся мощными гамма-всплесками. Три с половиной года спустя астрофизики заметили загадочные рентгеновские лучи, которые, по их мнению, могут быть самым первым обнаружением «послесвечения» килоновой, согласно новой статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters. В качестве альтернативы то, что увидели астрофизики, могло быть первым наблюдением падения материи в черную дыру, образовавшуюся после слияния.

Как мы сообщали ранее, LIGO обнаруживает гравитационные волны с помощью лазерной интерферометрии. Этот метод использует мощные лазеры для измерения крошечных изменений расстояния между двумя объектами, расположенными на расстоянии нескольких километров друг от друга. (У LIGO есть детекторы в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстоне, штат Луизиана. Третий детектор в Италии, известный как Advanced VIRGO, был введен в эксплуатацию в 2016 году.) Наличие трех детекторов означает, что ученые могут проводить триангуляцию и точнее определять, где в ночном небе издают любые контрольные звуки. исходят из.

В дополнение к еще семи слияниям двойных черных дыр второй запуск LIGO с 30 ноября 2016 г. по 25 августа 2017 г. обнаружил слияние двойных нейтронных звезд с одновременным гамма-всплеском и сигналами в остальной части электромагнитного спектра. Событие теперь известно как GW170817. Эти сигналы включали контрольные сигнатуры тяжелых элементов, особенно золота, платины и урана, созданных в результате столкновения. Большинство более легких элементов образуется в результате предсмертных взрывов массивных звезд, известных как сверхновые, но астрономы уже давно предполагают, что более тяжелые элементы могут образовываться в килоновых, образующихся при столкновении двух нейтронных звезд.

Обнаружение килоновой в 2017 году показало, что эти астрономы были правы. Запись такого рода небесных явлений была беспрецедентной и официально ознаменовала начало новой эры в так называемой «астрономии с несколькими посланниками».

С тех пор астрономы ищут соответствующую оптическую сигнатуру всякий раз, когда LIGO/VIRGO улавливает сигнал гравитационной волны для слияния нейтронных звезд или возможных слияний нейтронных звезд и черных дыр. Предполагалось, что слияния черных дыр не дадут никакой оптической сигнатуры, поэтому не было смысла даже искать ее — до 2020 года. Именно тогда астрономы нашли первое свидетельство именно такого явления. Астрономы сделали открытие, объединив данные о гравитационных волнах с данными, собранными во время роботизированного обзора неба.

Но килонова 2017 года остается уникальной, по словам Апраджиты Хаджела, ведущего автора новой статьи и аспиранта Северо-Западного университета. Хаджела называет килонову «единственным событием в своем роде» и «сундуком с сокровищами нескольких первых наблюдений в нашей области». Вместе с другими астрономами из Северо-Западного и Калифорнийского университетов в Беркли она наблюдала за эволюцией GW170817 с тех пор, как LIGO/Virgo впервые обнаружила его с помощью космической рентгеновской обсерватории Чандра.

Чандра впервые обнаружила рентгеновское и радиоизлучение от GW170817 через пару недель после слияния, которые сохранялись в течение 900 дней. Но эти первоначальные рентгеновские лучи, вызванные струей, возникшей в результате слияния, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, начали исчезать в начале 2018 года. Однако с марта 2020 года до конца того же года резкое снижение яркости прекратилось, и рентгеновское излучение стало довольно постоянным по яркости.

Чтобы помочь разгадать загадку, Хаджела и ее команда собрали дополнительные данные наблюдений с помощью Chandra и Very Large Array (VLA) в декабре 2020 года, через 3,5 года после слияния. Именно Хаджела проснулся в 4 часа утра от сообщения об удивительно сильном и ярком рентгеновском излучении — в четыре раза выше, чем можно было бы ожидать в этот момент, если бы излучение питалось исключительно реактивным двигателем. (VLA не зафиксировал никаких радиоизлучений.) Эти новые излучения оставались на постоянном уровне в течение 700 дней.

Это означает, что их питает совершенно другой источник рентгеновского излучения. Одно из вероятных объяснений состоит в том, что расширяющиеся обломки в результате слияния породили ударную волну, похожую на звуковой удар, в дополнение к струям. В этом случае слившиеся нейтронные звезды не могли сразу схлопнуться в черную дыру. Вместо этого звезды на секунду быстро закрутились вниз. Это быстрое вращение должно было ненадолго противодействовать гравитационному коллапсу, достаточному для того, чтобы образовался быстрый шлейф тяжелого выброса килоновой, который привел в движение ударную волну. По мере того как этот тяжелый выброс со временем замедлялся, его кинетическая энергия под действием толчков преобразовывалась в тепло.

«Он просто упадет. Готово».

«Если бы слившиеся нейтронные звезды коллапсировали прямо в черную дыру без промежуточной стадии, было бы очень сложно объяснить этот избыток рентгеновского излучения, который мы наблюдаем прямо сейчас, потому что не было бы твердой поверхности, от которой могло бы отскакивать вещество и летать на высоких скоростях, чтобы создать это послесвечение», — сказала соавтор Раффаэлла Маргутти из Калифорнийского университета в Беркли. «Он просто упадет. Готово. Истинная причина моего научного возбуждения — это возможность того, что мы видим нечто большее, чем реактивный самолет. Наконец-то мы можем получить некоторую информацию о новом компактном объекте».

Брайан Мецгер из Колумбийского университета предложил альтернативный сценарий: рентгеновское излучение может быть вызвано попаданием вещества в образовавшуюся при слиянии заднюю дыру. По словам Хаджела, это также впервые в науке, поскольку такого рода долговременное нарастание никогда раньше не наблюдалось.

В будущем запланировано больше наблюдений, и эти данные помогут решить проблему. Если рентгеновское и радиоизлучение станут ярче в течение следующих нескольких месяцев или лет, это подтвердит сценарий послесвечения килоновой. Если рентгеновское излучение резко уменьшится или останется стабильным без сопутствующего радиоизлучения, это подтвердит сценарий аккрецирующей черной дыры.

Несмотря на это, «это будет либо первый раз, когда мы наблюдаем послесвечение килоновой, либо первый раз, когда мы видим, как материал падает на черную дыру после слияния нейтронных звезд», — сказал соавтор Джо Брайт, постдоктор Калифорнийского университета в Беркли. «Любой результат был бы чрезвычайно захватывающим».

DOI: Astrophysical Journal Letters, 2022. 10.48550/arXiv.2104.02070 (о DOI).