Виртуальный космос ожил: Суперкомпьютер показал, как звездное слияние рождает черную дыру и «выстреливает» энергией

Представьте себе космический балет невероятной мощи. Две нейтронные звезды, сверхплотные остатки некогда массивных светил, кружатся в смертельном танце, неумолимо сближаясь. Их финальное объятие — это не просто столкновение, а катаклизм, порождающий гравитационные волны, потоки экзотических частиц и, возможно, ключ к разгадке происхождения самых тяжелых элементов во Вселенной. Звучит как научная фантастика, не правда ли? Однако благодаря титанической работе ученых и мощи современных суперкомпьютеров мы можем заглянуть в самое сердце этого процесса.

Увидеть невидимое: зачем астрономам «много глаз»?

Наблюдать за такими событиями — задача не из легких. Они происходят на огромных расстояниях, а сами нейтронные звезды, несмотря на массу, превышающую солнечную, имеют размеры всего лишь с небольшой город. Традиционные телескопы, ловящие свет, здесь видят лишь малую часть картины. На помощь приходит так называемая многоканальная астрономия. Это когда ученые, словно детективы на месте сложного происшествия, собирают улики из разных источников: гравитационные волны (рябь самой ткани пространства-времени), неуловимые нейтрино и весь спектр электромагнитного излучения, от радиоволн до жесткого гамма-излучения.

Но чтобы понять, что именно искать и как интерпретировать собранные данные, нужны точные теоретические модели. Ведь нельзя просто направить все телескопы мира в одну точку наугад, надеясь что-то увидеть. Нужны предсказания: когда, что и какой интенсивности ожидать. И вот тут на сцену выходят суперкомпьютеры.

Виртуальная вселенная в японском суперкомпьютере «Фугаку»

Недавно группа исследователей из Института гравитационной физики Макса Планка, возглавляемая Котой Хаяси и Масару Сибатой, совершила настоящий прорыв. Они использовали один из мощнейших суперкомпьютеров мира, японский «Фугаку», для создания самой детальной и продолжительной на сегодняшний день симуляции слияния двух нейтронных звезд.

Только вдумайтесь в масштабы:

• Моделирование охватило 1,5 секунды реального времени этого космического события. Кажется, мгновение? Но для физических процессов такой колоссальной энергии — это целая эпоха!
• На это ушло 130 миллионов часов процессорного времени. Если бы это делал один очень мощный домашний компьютер, ему понадобились бы тысячелетия.
• В работе постоянно были задействованы от 20 000 до 80 000 процессоров «Фугаку».

Это не просто красивая анимация. В «мозг» суперкомпьютера заложили фундаментальные законы физики: общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию; законы, управляющие поведением плазмы в мощнейших магнитных полях (это называется магнитогидродинамика, но не пугайтесь!); и даже учли рождение и разлет нейтрино. И что самое важное, симуляция началась с минимума предположений: две нейтронные звезды с заданными массами (1.25 и 1.65 массы Солнца) и сильными магнитными полями, вращающиеся друг вокруг друга. Все остальное — результат численного решения уравнений, описывающих их взаимодействие.

Шаг за шагом: от вальса к взрыву и рождению «монстра»

Так что же показала эта виртуальная реконструкция?

1. Спиральный танец и гравитационный шепот: Сначала звезды совершают несколько оборотов, излучая гравитационные волны. Эта потеря энергии заставляет их сближаться все быстрее и быстрее — словно вода, уходящая в сливное отверстие. Симуляция точно предсказала характеристики этого гравитационного «шепота», который могут уловить наши детекторы LIGO, Virgo и KAGRA.
2. Слияние и рождение черной дыры: Из-за большой суммарной массы звезд-участниц, объект, образовавшийся после их столкновения, не смог удержаться от гравитационного коллапса и практически мгновенно превратился в черную дыру. Короткий, но яростный миг!
3. Диск-акселерат и магнитные поля-гиганты: Вокруг новорожденной черной дыры из остатков звездного вещества сформировался быстро вращающийся диск. И вот тут начинается самое интересное с точки зрения магнитных полей. В этом диске, как в гигантском динамо, магнитные поля многократно усиливаются. Дополнительный «допинг» им придает сверхбыстрое вращение самой черной дыры.
4. Космический «прожектор» — джеты: Взаимодействие этих чудовищно мощных, закрученных магнитных полей с вращающейся черной дырой приводит к выбросу узконаправленных потоков плазмы — так называемых джетов. Они вырываются вдоль оси вращения черной дыры со скоростью, близкой к световой.

Именно эти джеты, по мнению ученых, и являются «двигателем» гамма-всплесков — одних из самых мощных взрывов во Вселенной. Моделирование показало, как именно энергия магнитного поля преобразуется в энергию этих выбросов. Это прямое подтверждение гипотез, которые ранее строились на косвенных данных.

Откуда золото? Космическая алхимия в действии

Но джеты и гамма-всплески — это еще не все. Симуляция позволила проследить судьбу вещества, выброшенного во время слияния. Часть его уносится джетами, а часть разлетается в стороны, образуя расширяющееся облако, богатое тяжелыми элементами. Это явление получило название килоновая.

А вы знали, что все золото, платина и другие элементы тяжелее железа, которые есть на Земле, не могли образоваться внутри обычных звезд? Звезды — прекрасные «фабрики» элементов, но их термоядерные топки способны «ковать» лишь элементы до железа включительно. Для синтеза более тяжелых ядер нужны куда более экстремальные условия — например, те, что возникают при слиянии нейтронных звезд.

Именно наблюдения килоновой после знаменитого события GW170817 (первого зарегистрированного слияния нейтронных звезд, подтвержденного и гравитационными волнами, и светом) в 2017 году дали прямое доказательство, что такие события действительно являются «золотыми жилами» Вселенной. Новая симуляция позволяет еще точнее предсказать, сколько и каких именно элементов должно рождаться в таких катаклизмах, что критически важно для сверки с будущими наблюдениями.

Зачем нам это знать? Заглядывая в космическую бездну

Каждая такая симуляция, каждое новое наблюдение — это еще один крошечный шажок в понимании того, как устроена наша Вселенная. Модели, подобные той, что создана на «Фугаку», не просто удовлетворяют наше любопытство. Они:

• Позволяют астрономам эффективнее планировать наблюдения, зная, какие сигналы и когда ожидать от далеких космических катастроф.
• Помогают интерпретировать уже полученные данные, отделяя сигнал от шума и понимая физику зафиксированных явлений.
• Дают ключ к пониманию происхождения тяжелых элементов, из которых, в конечном счете, состоим и мы с вами.
• Тестируют наши фундаментальные теории (вроде общей теории относительности) в экстремальных условиях, недостижимых в земных лабораториях.

Да, до полного понимания всех хитросплетений космических драм нам еще далеко. Но благодаря таким исследованиям, мы, шаг за шагом, камень за камнем, строим все более полную и захватывающую картину мироздания. И кто знает, какие еще тайны раскроются, когда мы научимся еще лучше «слушать» и «видеть» эти грандиозные симфонии Вселенной. Честно говоря, это невероятно увлекательно!