От мертвой звезды до черной дыры за 1,5 секунды: Смоделировано, как их столкновение порождает самые мощные взрывы во Вселенной

Во Вселенной существуют события такой невообразимой мощи, что на их фоне взрыв сверхновой кажется безобидным хлопком. Речь о гамма-всплесках — гигантских выбросах энергии, которые за несколько секунд могут высвободить больше света, чем наше Солнце за все 10 миллиардов лет своей жизни. Эти космические маяки, видимые с другого конца мироздания, долгое время оставались одной из главных загадок астрофизики. Что за «двигатель» способен запустить столь колоссальный катаклизм?

Ученые давно подозревали, что ответ кроется в самых драматичных событиях космоса — смерти звезд. Одна из версий — коллапс гигантской звезды в черную дыру. Другая, не менее интригующая, — титаническое столкновение двух нейтронных звезд. И вот недавняя работа международной группы ученых, кажется, добавила в эту мозаику решающий фрагмент, показав в деталях, как именно рождается этот космический огненный шторм.

Когда звезды умирают дважды

Чтобы понять суть открытия, нужно сперва представить его главных героев. Нейтронные звезды — это сверхплотные остатки некогда массивных звезд, где вещество сжато до состояния атомных ядер. Чайная ложка такого вещества весила бы на Земле миллиарды тонн. Иногда две такие звезды оказываются в гравитационном плену друг у друга, образуя двойную систему. Миллионы лет они несутся по спирали, сближаясь, пока наконец не сталкиваются в финальном акте космической драмы.

Именно этот момент и воссоздали исследователи из Японии и Германии на суперкомпьютере «Фугаку». Но их интересовал не просто сам факт слияния, а особый его сценарий. Что, если общая масса звезд достаточно велика, чтобы гравитация одержала окончательную победу? В этом случае система не просто сливается, а почти мгновенно коллапсирует, образуя черную дыру. Это, по сути, вторая смерть: сначала звезды умерли, став нейтронными, а затем их останки погибли, породив сингулярность.

Проблема в том, что смоделировать такое событие — задача невероятной сложности. Нужно учесть всё: искажения пространства-времени по Эйнштейну, безумную гидродинамику вещества, мощнейшие магнитные поля и даже потоки неуловимых частиц — нейтрино. Запустив самое долгое и подробное моделирование такого процесса в истории (целых полторы секунды реального времени!), ученые смогли заглянуть прямо в сердце рождающегося монстра.

Космическое динамо

И вот здесь начинается самое интересное. После того как новорожденная черная дыра поглотила основную массу звезд, вокруг нее остался вращаться гигантский, раскаленный и хаотичный диск из уцелевшего вещества — аккреционный диск. Но это был не просто хаос.

Как показало моделирование, именно в этом диске и скрывался секрет будущего взрыва. Из-за невероятной скорости вращения и мощных магнитных полей в диске запускается процесс, известный как магнито-ротационная неустойчивость. Представьте, что вы скручиваете тугой жгут из резиновых лент. Чем сильнее вы его крутите и запутываете, тем больше энергии в нем накапливается. Нечто подобное, только в колоссальных масштабах и с линиями магнитного поля, происходит и в диске. Этот процесс, называемый «динамо-механизмом», многократно усиливает магнитное поле, превращая диск в гигантский энергетический аккумулятор.

В какой-то момент накопленная энергия находит выход. Вдоль оси вращения черной дыры, где сопротивление минимально, из диска вырывается узконаправленный пучок плазмы и излучения, разогнанный до околосветовых скоростей. Это и есть джет — тот самый «двигатель Судного дня». Его мощность, по расчетам, достигает 10⁴⁹ эрг/с. Звучит абстрактно? Для сравнения, это в квадриллион раз больше, чем полная мощность нашего Солнца.

Что это меняет?

«Это первая работа, в которой был обнаружен запуск джета, движимого магнитным полем, в результате слияния двойной нейтронной звезды, которая сразу после этого сколлапсировала в черную дыру», — отмечает Кота Хаяси, ведущий автор исследования.

В чем же ключевое значение этой работы?

Во-первых, она напрямую связывает конкретный тип слияний (с быстрым коллапсом в черную дыру) с короткими гамма-всплесками. Раньше это было скорее гипотезой, теперь же мы видим детальный физический механизм, который делает такую связь возможной.

Во-вторых, исследование показывает, что источник энергии для джета — магнитное поле — не обязательно должен существовать до столкновения. Он может эффективно генерироваться после него, в самом аккреционном диске. Это снимает ряд вопросов к предыдущим моделям.

И в-третьих, это прекрасный пример того, как теория и вычислительные мощности помогают интерпретировать реальные наблюдения. Когда в 2019 году гравитационные обсерватории зафиксировали именно такой тип слияния, у астрономов было больше вопросов, чем ответов. Теперь у них есть подробная модель, объясняющая, что могло произойти в следующие секунды после события и какие сигналы (кроме гравитационных волн) стоило искать.

Конечно, это еще не конец истории. Нынешнее моделирование не смогло воспроизвести финальное ускорение джета до тех 99,9% скорости света, которые наблюдаются в реальности. Это задача для будущих, еще более сложных симуляций. Но сделан решающий шаг. Мы не просто знаем, что может вызвать гамма-всплеск. Теперь мы понимаем, как этот невероятный космический двигатель заводится и работает. И с каждым таким открытием самые загадочные и грандиозные события во Вселенной становятся нам немного ближе и понятнее.