Интернациональная группа астрофизиков выполнила точный теоретический расчёт процесса, который считается «движущим механизмом» коротких гамма-всплесков.

Гамма-всплески такого типа традиционно связывают с объединением двух нейтронных звёзд — небольших сверхплотных остатков светил, закончивших своё существование взрывом сверхновой. Результатом слияния должно стать образование быстро вращающейся чёрной дыры с аккреционным тором и релятивистскими джетами — потоками частиц, испускаемых в противоположных направлениях по оси вращения дыры. Эти струи, как предполагается, рождают гамма-излучение, регистрируемое как короткий всплеск.

Огромную роль в формировании джета играет магнитное поле. «Необходимо было проследить за реорганизацией магнитного поля и преобразованием его хаотической структуры в упорядоченную, — говорит участница исследования Крисса Кувелиоту (Chryssa Kouveliotou) из Центра космических полётов НАСА им. Маршалла. — Всё это требует времени. Чтобы разобраться в проблеме, нам пришлось продлить моделирование: временной отрезок, который мы просчитали, имеет рекордную длительность». Речь здесь идёт о 35 миллисекундах; такая продолжительность может показаться несерьёзной, но для рассматриваемых процессов она существенна, и на её просчёт вычислительный кластер в Институте гравитационной физики им. Макса Планка (Германия) потратил около семи недель.

В модели авторов объединяющиеся нейтронные звёзды имели массу в 1,5 солнечной и радиус в 13,6 км. Начальное расстояние между их центрами было равно 45 км. Обе звезды обладали магнитным полем с максимальной индукцией в 10¹² Гс.

Компоненты системы быстро сближались и примерно через 8 мс образовывали метастабильную сверхмассивную нейтронную звезду, которая просуществовала всего несколько миллисекунд и превратилась в чёрную дыру массой в 2,91 солнечной и охватывающий её тор массой 0,063 солнечной. Очень быстро скорость аккреции установилась на уровне в 0,2 массы Солнца в секунду; если предположить, что она не будет серьёзно меняться, тор исчезнет за 0,3 с.

Учёных, впрочем, больше интересовало то, что происходит с магнитным полем при переходе от сверхмассивной нейтронной звезды к чёрной дыре. Как оказалось, исходное турбулентное поле уступает место двухкомпонентной структуре с тороидальной и полоидальной (направленной вдоль оси вращения чёрной дыры и необходимой для зарождения джета) составляющими. При этом магнитное поле «усиливается»: в торе индукция на временной отметке в 26,5 мс достигает 2•10¹⁵ Гс, а полоидальная составляющая добирается до 8•10¹⁴ Гс.

По словам астрофизиков, результаты расчётов соответствуют данным наблюдений гамма-всплесков и по энергетическим, и по временным характеристикам.

Видеоверсия моделирования:

Полная версия отчёта опубликована в издании Astrophysical Journal Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Института гравитационной физики им. Макса Планка и Компьюлента.ру.