Международной команде астрофизиков под руководством профессора астрономии Тобиаса Фишера из Польши удалось впервые рассчитать рождение массивных нейтронных звёзд с кварковым ядром в результате вспышки сверхновой.
Сегодня некоторые объекты нашей Галактики все еще недоступны для средств оптического наблюдения и даже вызывают трудности для численных расчетов. К числу подобных относят явление сверхновой звезды. Несмотря на своё название, сверхновая представляет собой последнюю стадию эволюции звезды — её взрыв. Астрономы делят сверхновые на несколько типов. Один из них связан с коллапсом массивных звёзд, то есть с их катастрофическим сжатием под действием собственной гравитации. Когда происходит такой взрыв, то образуются нейтронные звёзды. В некоторых из них может формироваться кварковое ядро. Это так называемые гибридные звёзды.
На чем основан физический механизм их образования, что лежит в основе моделирования взрыва и какие необходимо произвести вычисления, чтобы понять природу этих объектов - изучили специалисты-теоретики из разных стран, в группу которых вошли российские ученые из Государственного астрономического института имени П.К.Штернберга МГУ (ГАИШ МГУ). Результаты этой работы, проведенной научным коллективом, обнародованы в рецензируемом научном издании Nature Astronomy (от 22.10.2018).
Комментирует участник проекта Елена Сорокина, кандидат физико-математичекских наук, старший научный сотрудник отдела физики эмиссионных звёзд и галактик ГАИШ МГУ: «В работе даются теоретические предсказания, какие именно особенности будут наблюдаться в случае взрыва близкой сверхновой, если в ней реализуется механизм коллапса, описанный в нашей статье, чем она должна отличаться от других сверхновых, порождённых другими механизмами».
Значение исследований физических свойств небесных тел важно для познания не только космического пространства, но и понимания процессов, происходящих на нашей планете. Для современных астрофизиков большой интерес представляют нейтронные звёзды, прежде всего тем, что, по словам Сорокиной, «это единственная известная нам лаборатория, в которой можно изучать вещество при ядерных плотностях». Но, по замечанию российского ученого, даже при помощи численных расчетов образования массивных нейтронных звёзд «сложно понять, как устроено вещество при плотностях, недостижимых на Земле».
Дело в том, что «численный расчёт коллапса звезды, сопровождающегося взрывом сверхновой и формированием нейтронной звезды — это давняя проблема астрофизики. Одной из трудных задач при этом является получение в численных расчётах достаточно массивных нейтронных звёзд, – пояснила сотрудник МГУ ГАИШ Елена Сорокина и затем рассказала подробнее об этом небесном теле и сложностях его изучения - При взрыве сверхновой ядро звезды сжимается и формирует компактный объект — нейтронную звезду или чёрную дыру, а её оболочка улетает. В первые секунды взрыва внутренние, близкие к ядру слои оболочки тормозятся в мощном гравитационном поле ядра и начинают падать обратно на ядро, увеличивая его массу. Это падение очень трудно остановить, и, в конце концов, масса ядра превышает максимальную допустимую массу нейтронной звезды, и образуется чёрная дыра. Но из наблюдений известно, что нейтронные звёзды массой 2 массы солнца, и даже немного больше, существуют, поэтому задача состояла в том, чтобы найти способ, как остановить коллапс при достижении коллапсирующим ядром примерно двух масс солнца. Трудность и неопределённость задачи заключается в том, что нам достоверно неизвестно состояние вещества при столь высоких плотностях, какие достигаются в недрах нейтронных звёзд, и никакие гипотезы не могут быть проверены в земных экспериментах. Все ограничения исходят из астрономических наблюдений. И одним из ограничений является как раз максимальная наблюдаемая масса нейтронных звёзд».
В чем новизна исследования и как ученым удалось решить проблему образования массивных гибридных звёзд Елена Сорокина разъяснила далее: «Уже достаточно давно возникла идея о том, что коллапс может быть остановлен второй ударной волной, возникающей, когда плотность в ядре становится такой высокой, что нейтроны разваливаются на составляющие их отдельные кварки, и в такой смешанной фазе дальнейшее сжатие вещества почти не повышает его давление и сопротивление гравитации, лишь всё большая доля нейтронов оказывается «раздавленной». Вещество вновь начинает почти свободно падать к центру и сжиматься до тех пор, пока в нём почти не останется нейтронов, и ядро не сожмётся настолько, что теперь давление кварков начнёт противостоять сжатию. В этот момент и возникает так называемая ударная волна отскока, способная ускорить уже почти остановившееся вещество когда-то разлетавшейся оболочки звезды. Это приводит к успешному взрыву сверхновой».
В рамках данного проекта международную команду ученых собрал и возглавил профессор университета Вроцлава Тобиас Фишер. В Польше он руководит группой по изучению сверхновых. Кроме того, ранее он был участником известной базельской группы, которая занималась нуклеосинтезом (образованием химических элементов) в сверхновых. Как сообщила Елена Сорокина, «…практически базельская группа распалась, а Тобиас Фишер остался одним из немногих наследников всех их достижений, собрав в своих руках основные их наработки. И теперь, с помощью своих студентов, и редких, оставшихся ещё в науке учёных, связанных с той группой, им удалось добиться желаемого. Ими было показано, что действительно можно получить успешный взрыв с параметрами, соответствующими наблюдениям. Но расчёты непосредственно взрыва описывают от силы несколько секунд реального времени — зато самые определяющие для понимания того, пошёл ли взрыв, или всё вещество сколлапсировало в чёрную дыру».
В этом исследовании были использованы и развивались численные коды, которые прежде разрабатывались с участием многих членов той базельской группы. Так, Тобиас Фишер проводил гидродинамические расчёты взрыва сверхновой, включив туда микрофизику (взаимодействие элементарных частиц, зависимость их состояния от плотности, температуры и других физических параметров среды), рассчитанную Нильсом-Уве Бастианом и Давидом Блашке из университета Вроцлава, Томасом Клэном из университета Калифорнии (США) и Штефаном Тюпелем из Технического университета Дармштадта (Германия).
Сорокина подчеркивает, что «…оставался открытым вопрос о том, что будет видеть земной наблюдатель в результате такого взрыва. Сможет ли он понять, какой именно механизм привёл к взрыву? Нужно было найти наблюдаемые особенности, отличающие этот взрыв от всех остальных. А искать их можно было в нескольких направлениях (в англоязычной науке сейчас для этого есть модный термин multi-messenger astronomy): первое, рассчитать структуру нейтринной вспышки и сделать предсказания для нейтринных наблюдений; второе, смоделировать электромагнитное излучение, т.е. сделать предсказания главным образом для оптических телескопов. И для этих целей к работе были привлечены Менг-Ру Ву из института физики, астрономии и астрофизики (Тайвань) - для расчёта нуклеосинтеза и потока нейтрино, и наша российская группа учёных из ГАИШ МГУ и ИТЭФ (Курчатовский институт) - Пётр Бакланов, Елена Сорокина, Сергей Блинников - для расчёта кривой блеска, т.е. потока фотонов. В результате нейтринных расчётов было показано, что нейтринная вспышка действительно будет особенной, состоящей из двух пиков, первый из которых соответствует нейтронизации вещества при коллапсе, а вторая — прохождению второй ударной волны по нейтронизованному веществу (при стандартном коллапсе без фазового перехода к кварковому веществу, и соответственно, без второй ударной волны, второй нейтринной вспышки ожидать не приходится). А вот наши расчёты эволюции оптического потока от сверхновой показали, что большое разнообразие оптических кривых блеска, которые можно ожидать от данного взрыва, не позволит идентифицировать механизм взрыва. Излучение сверхновой в течение нескольких месяцев после взрыва в гораздо большей степени будет зависеть от того, как звезда теряла своё вещество перед коллапсом, нежели чем от конкретного механизма взрыва».
Для фундаментальной науки преимущество результатов исследования, которые получены учёными именно в рамках международного проекта, по словам Сорокиной, в следующем: «Во-первых, найден способ получить нейтронную звезду большой массы, 2 массы Солнца. До сих пор этого не удавалось. Во-вторых, найден способ получить успешный взрыв звезды большой массы — 50 масс Солнца при рождении. До сих пор в численных расчётах они целиком коллапсировали в чёрную дыру. Наконец, если когда-нибудь нам удастся понять из наблюдений, что именно механизм, предложенный в данной работе, работал во время коллапса, это очень обогатит знания человечества о том, как в действительности устроено вещество при огромных плотностях, ограничит круг теорий, которых сейчас множество, и проверить которые можно, только наблюдая нейтронные звёзды».
Как же астрофизики оценивают перспективы обнаружения гибридной нейтронной звезды? По мнению российского ученого Елены Сорокиной «для того, чтобы из наблюдений взрыва сверхновой понять, что в ходе коллапса образовалась гибридная звезда, нужна большая доля везения. Если бы такой коллапс имел свою специфику в оптических проявлениях взрыва, можно было бы ожидать распознать его при наблюдениях сверхновых в других галактиках, но поскольку различия, которые выделили бы такой коллапс среди прочих, ожидаются в основном в наблюдениях нейтрино от взрыва, то это возможно только для сверхновых, вспыхнувших в нашей Галактике. Чувствительность современных нейтринных детекторов не позволит заглянуть дальше».
Как предполагает астрофизик Сорокина, «возможно, человечеству придётся ждать коллапса звезды в Галактике около сотни лет, и, может быть, первый наблюдаемый коллапс в Галактике произойдёт с помощью другого механизма, и потребуется ещё сотня лет, чтобы дождаться следующего коллапса и померить нейтрино от него. Но нам может повезти: вдруг какая-нибудь из звёзд в нашей Галактике сколлапсирует через месяц? Мы знаем много звёзд, которым не удастся избежать коллапса, и даже тех, которые эволюционно уже близки к нему, но мы не знаем, произойдёт ли он через 10 дней или через 10 тысяч лет. И то и другое — очень скоро, почти одно и то же, в астрономическом масштабе, но, к сожалению, не в масштабе человеческой жизни».
Иллюстрации: представлены Еленой Сорокиной
