Коли нейтронні зорі стикаються, це спричиняє вибух, який, всупереч тому, що вважали науковці досі, має форму ідеальної сфери. Хоча те, чому це так, досі є загадкою, відкриття може дати новий ключ до фундаментальної фізики та вимірювання віку Всесвіту. Відкриття зробили астрофізики Копенгагенського університету, а результати їхніх досліджень оприлюднив журнал Nature.
Кілонові — надсильні вибухи, які відбуваються, коли дві нейтронні зорі, що утворюють подвійну систему, зрештою стикаються — спричиняють появу як великих, так і малих речей у Всесвіті. Від чорних дір до атомів у золотому перстні на вашому пальці та йоду в наших тілах. Під час таких вибухів виникають найекстремальніші фізичні умови у Всесвіті, і саме в цих критичних умовах Всесвіт створює найважчі елементи періодичної таблиці, такі як золото, платина та уран.
Але ми все ще багато чого не знаємо про це незвичне явище. У 2017 році, коли на відстані 140 мільйонів світлових років від Землі виявили кілонову AT2017gfo, науковці вперше змогли зібрати докладні дані. Вчені в усьому світі все ще аналізують дані цього колосального вибуху, зокрема Альберт Снеппен (Albert Sneppen) і Дарах Вотсон (Darach Watson) з Копенгагенського університету, які зробили дивовижне відкриття.
Це дані про ультрафіолетове, оптичне та інфрачервоне випромінювання, зареєстровані за допомогою спектрографа X-shooter на Дуже великому телескопі Європейської Південної Обсерваторії, інформація про гравітаційні хвилі та радіохвилі, а також дані спостережень Космічного телескопа імені Габбла.
«У вас є дві надкомпактні зорі, які обертаються одна навколо одної 100 разів за секунду, перш ніж злитися в одне ціле. Наша інтуїція та всі попередні моделі стверджують, що конфігурація вибуху, спричиненого зіткненням, має бути сплощеною та досить асиметричною», — сказав Альберт Снеппен, аспірант Інституту Нільса Бора та перший автор дослідження.
Однак він і його колеги-дослідники з подивом виявили, що це зовсім не так для кілонової 2017 року. Вона повністю симетрична і має форму, близьку до ідеальної сфери.
«Ніхто не очікував, що вибух матиме такий вигляд. Не обов’язково він мав бути сферичним, як куля. Але наші розрахунки чітко показують, що це так. Ймовірно, це означає, що теорії та моделювання кілонових, які ми розглядали протягом останніх 25 років, не враховують важливої фізики», — зазначив Дарах Вотсон, доцент Інституту Нільса Бора та другий автор дослідження.
Сферична форма — загадка
Сферична форма кілонової — це справжня загадка. На думку дослідників, «у грі» має бути несподівана фізика: «Найвірогіднішим способом зробити вибух сферичним є те, що величезна кількість енергії виходить із центра вибуху та згладжує форму, яка інакше була б асиметричною. Отже, сферична форма говорить нам, що, ймовірно, є багато енергії в центрі зіткнення. Цього раніше ніхто не передбачав», — сказав Альберт Снеппен.
Коли нейтронні зорі стикаються, вони на короткий час об’єднуються в одну гіпермасивну нейтронну зорю, яка потім стискається до стану чорної діри. Дослідники розмірковують, може саме в цьому колапсі прихована значна частина секрету: «Можливо, в момент, коли гіпермасивна нейтронна зоря колапсує в чорну діру, утворюється, внаслідок вивільнення енергії сильного магнітного поля, своєрідна “магнітна бомба”. Вивільнення магнітної енергії може призвести до того, що речовина у момент вибуху буде розподілятися більш сферично. У такому разі народження чорної діри може бути дуже енергійним», — сказав Дарах Вотсон.
Однак ця теорія не пояснює іншого аспекту відкриття. Згідно з попередніми моделями, всі елементи, важчі від заліза, такі як золото або уран, мають утворюватися в інших місцях кілонової, ніж легші елементи, такі як стронцій або криптон. І вибух має викидати їх у різних напрямках. Дослідники, навпаки, виявили лише легші елементи, і вони рівномірно розподілені у просторі.
Уявлення художника про явище кілонової. Авторські права на зображення: Робін Дінел (Robin Dienel)/Науковий інститут Карнегі. Фото з сайту https://phys.org.
Науковці вважають, що загадкові елементарні частинки, нейтрино, про які ще багато чого невідомо, також відіграють суттєву роль у цьому явищі.
«Альтернативна ідея полягає в тому, що за мілісекунди, які живе гіпермасивна нейтронна зоря, вона дуже сильно випромінює, можливо, і величезну кількість нейтрино. Нейтрино може спричинити перетворення нейтронів на протони та електрони, які утворять більш легкі елементи. Ця ідея також має недоліки, але ми вважаємо, що нейтрино відіграють навіть важливішу роль, ніж ми думали», — зазначив Альберт Снеппен.
Нова космічна лінійка
Форма вибуху також цікава зовсім з іншої причини: «Серед астрофізиків є багато дискусій про те, як швидко розширюється Всесвіт. Швидкість говорить нам, серед іншого, скільки років Всесвіту. І два методи, які існують для вимірювання його віку, розходяться приблизно на мільярд років. Тепер у нас може бути третій метод, який можна доповнити та перевірити на основі інших вимірювань», — зауважив Альберт Снеппен.
Так звана «драбина космічних відстаней» («cosmic distance ladder») — це метод, який нині астрономи використовують для вимірювання швидкості розширення Всесвіту. Це роблять простим обчисленням відстані між різними об’єктами у Всесвіті, які відіграють роль сходинок на драбині.
«Якщо вони яскраві та здебільшого сферичні, і якщо ми знаємо, на якій відстані вони містяться, ми можемо використовувати кілонові як новий спосіб незалежного вимірювання відстані — новий вид космічної лінійки», — сказав Дарах Вотсон і продовжив: «Знання форми тут має вирішальне значення, бо якщо у вас об’єкт не сферичний, то він випромінює по-різному, залежно від кута зору, під яким ви його спостерігаєте. Сферичний вибух забезпечує набагато більшу точність у вимірюванні».
Науковець зауважив, що для цього потрібні дані про більшу кількість кілонових. Дослідники очікують, що в найближчі роки гравітаційні обсерваторії виявлять багато таких явищ.
Про кілонові
• Нейтронні зорі — надзвичайно компактні зірки, які складаються головно з нейтронів. Зазвичай вони мають діаметр лише близько 20 кілометрів, але можуть мати масу в півтора-два рази більшу, ніж Сонце. Чайна ложка речовини нейтронної зорі важила б приблизно стільки ж, скільки гора Еверест.
• При зіткненні двох нейтронних зір виникає явище кілонової. Так називають дуже сильний вибух, породжений злиттям. Це радіоактивна вогняна куля, яка розширюється з величезною швидкістю і складається здебільшого з важких елементів, утворених під час злиття та подальшого вибуху. Виникають як легші, так і дуже важкі елементи, що потрапляють у космічний простір.
• Явище передбачили в 1974 році та вперше чітко спостерігали й ідентифікували в 2013 р. У 2017 р. вперше отримано докладні дані від такого явища, коли детектори LIGO (у США) та Virgo (в Європі) зареєстрували гравітаційні хвилі від кілонової AT2017gfo. Явище трапилося в галактиці за 140 мільйонів світлових років від нас.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
