Осциллирующие частоты двух коротких гамма-всплесков являются лучшим свидетельством существования тайны нейтронных звёзд. Последние могут ненадолго бросить вызов гравитации, прежде чем сколлапсировать, образовав чёрную дыру.
Нейтронная звезда образуется, когда у массивной звезды заканчивается топливо и она взрывается, оставляя после себя сверхплотный остаток, способный сжать массу Солнца в пространство небольшого города. Обычно нейтронная звезда может содержать массу, чуть более чем в два раза превышающую массу Солнца, прежде чем она подвергнется гравитационному коллапсу и образует чёрную дыру. Однако, когда две обычные нейтронные звезды в двойной системе сливаются, их совокупная масса может превысить этот предел – но только ненадолго.
“Нам нужно начать с двух лёгких нейтронных звёзд в двойной системе, чтобы сформировать сверхмассивную нейтронную звезду, иначе произойдёт прямой коллапс в чёрную дыру”, – сказала Сесилия Чиренти, астрофизик из Мэрилендского университета, Центра космических полётов имени Годдарда НАСА в Мэриленде и Центра математики, вычислений и познания Федерального университета ABC в Бразилии.
Когда парные нейтронные звёзды сталкиваются, они испускают поток света, называемый килоновой, всплеск гравитационных волн и короткий гамма-всплеск (GRB), который обычно длится менее двух секунд. И если, как предсказывает компьютерное моделирование, гипермассивные нейтронные звёзды могут сформироваться непосредственно до того, как схлопнутся в чёрную дыру, то свидетельством существования этих тел, не поддающихся законам гравитации, могут быть необъяснимые колебания частоты гамма-лучей.
Команда Чиренти просмотрела записи о более чем 700 коротких гамма-всплесках, чтобы найти два коротких гамма-всплеска, подходящих для их исследования. Эти два гамма-всплеска были обнаружены в данных обзора BATSE на уже вышедшем из эксплуатации спутнике “Комптон” (НАСА). Оба события, названные GRB 910711 и GRB 931101B, демонстрировали несколько ритмичных мерцаний частоты их гамма-излучения.
Моделирование предсказывает, что эти квазипериодические колебания будут естественным результатом образования сверхмассивной нейтронной звезды, масса которой будет где-то между 2,5 и 4 массами Солнца. Такая гипермассивная нейтронная звезда не схлопнется сразу, потому что разные части нейтронной звезды вращаются с совершенно разной скоростью, что предотвращает коллапс.
Однако гипермассивная нейтронная звезда также не будет полностью стабильной. Материал на её поверхности будет смещаться, нарушая ориентацию магнитных полюсов звезды, которые испускают гамма-струи. Предыдущие поиски колебаний гамма-всплесков оказались безрезультатными, потому что учёные искали исключительно периодические колебания; Команда Чиренти поняла, что динамические свойства сверхмассивной нейтронной звезды вместо этого приведут к квазипериодическим колебаниям. Два выбранных ими кандидата, GRB 910711 и GRB 931101B, отвечают всем требованиям.
Гравитационные волны, испускаемые во время слияния, лишают сверхмассивную нейтронную звезду части её углового (вращательного) импульса, уменьшая её вращение настолько, что гравитация может взять верх.
“Согласно моделированию, сверхмассивная нейтронная звезда будет быстро вращаться, возможно, потеряв материю и колебаться, прежде чем схлопнется в чёрную дыру, окружённую аккреционным диском”, – сказал Чиренти.
Время жизни сверхмассивной нейтронной звезды составляет несколько сотен миллисекунд. Это кажется довольно коротким отрезком временем, но учтите, что сверхмассивные нейтронные звёзды будут самыми быстро вращающимися звёздами во Вселенной, совершая один оборот за 1,5 миллисекунды или меньше. Гипермассивная нейтронная звезда может совершить несколько сотен оборотов, прежде чем схлопнется.
Хотя обнаружение всего двух кандидатов в выборке из более чем 700 коротких гамма-всплесков может указывать на то, что сверхмассивные нейтронные звёзды могут быть редкими, Чиренти так не считает.
“Могут быть и другие аспекты, связанные с генерацией гамма-всплесков, которые могут затруднить обнаружение сигнатуры сверхмассивной нейтронной звезды”, – сказала она.
Новое исследование представляет собой лишь один из способов, с помощью которого учёные пытаются разгадать тайны нейтронных звёзд. Существует несколько способов исследовать конечные состояния слияний нейтронных звёзд, которыми занимается астрономическое сообщество. Потенциальные свидетельства существования сверхмассивной нейтронной звезды в архивных данных чрезвычайно интересно и дополняет существующие сегодня усилия по поиску новых коротких гамма-всплесков в электромагнитном спектре.
Один из способов расширить поиск сверхмассивных нейтронных звезд – обнаружить гравитационные волны, излучаемые при их формировании. Согласно моделированию, гравитационные волны также должны колебаться, но, к сожалению, на частоте, слишком высокой, чтобы её можно было измерить современными детекторами. Однако, частотная модуляция гравитационных волн должна быть обнаружена детекторами гравитационных волн следующего поколения через 10–15 лет.