Когда столкновение двух нейтронных звезд создает черную дыру? Исследователи решили этот вопрос с помощью компьютерного моделирования. Согласно их выводам, результат столкновения сильно зависит от состояния вещества в нейтронных звездах. Это делает дальнейшие наблюдения гравитационных волн от таких столкновений еще более интересными.
Художественное изображение столкновения двух нейтронных звезд. Но когда из этого образуется черная дыра?? © Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.
При каких условиях вообще образуется черная дыра? Ученые из Центра исследований тяжелых ионов GSI им. Гельмгольца в Дармштадте занимались этим вопросом в рамках международного сотрудничества. Используя компьютерное моделирование, исследователи изучили особый процесс, который может привести к образованию черной дыры: столкновение двух нейтронных звезд.
Уже в нейтронных звездах материя находится в состоянии чрезвычайной уплотненности. Масса полутора солнц в такой звезде сжата до радиуса в несколько километров. Это приводит к аналогичной или даже более высокой плотности, чем плотность материи внутри атомных ядер. Если две нейтронные звезды сливаются в двойную звездную систему, вещество при столкновении дополнительно сжимается. То есть появляется наилучший шанс на образование черной дыры.
Черные дыры - самые компактные объекты во вселенной; даже свет больше не может вырваться из них, поэтому их нельзя наблюдать напрямую. «Решающим фактором является масса нейтронных звезд», - резюмирует доктор Андреас Баусвайн из отдела теоретических исследований GSI. - «Если общая масса двойной звездной системы превышает определенный предел, коллапс в черную дыру неизбежен». Однако где именно находится эта предельная масса, зависит от свойств ядерной материи высокой плотности.
Эти свойства еще не известны в деталях, и они исследуются пока в гораздо меньших масштабах, например, при столкновении атомных ядер на ускорительных установках GSI. В этих столкновениях тяжелых ионов фактически создаются условия, аналогичные условиям слияния нейтронных звезд. На основе теоретических соображений и экспериментов со столкновениями тяжелых ионов можно рассчитать определенные модели (так называемые уравнения состояния) вещества нейтронной звезды.
И вот теперь исследователи смогли рассчитать предельную массу для множества таких уравнений состояния. Результат оказался таковым: если вещество нейтронной звезды или ядерное вещество можно легко сжать - если материя / уравнение состояния «мягкое», то даже столкновение относительно легких звезд приводит к образованию черной дыры. С другой стороны, «жесткая» ядерная материя, которую трудно сжимать, может стабилизировать большие массы против так называемого гравитационного коллапса, и тогда в результате столкновения образуется только очень тяжелая вращающаяся нейтронная звезда.
Сама граничная масса дает информацию о свойствах ядерной материи и, согласно последнему исследованию, может даже прояснить, растворяются ли во время столкновения компоненты ядра на их составные части, кварки. «Это интересно, потому что в будущем мы сможем определять предельную массу уже из наблюдений», - добавляет профессор Николаос Стергиулас с физического факультета Университета Аристотеля в Салониках в Греции.
Слияние нейтронных звезд на основании гравитационных волн было впервые замечено несколько лет назад, а несколько часов спустя телескопы смогли найти и оптический сигнал слияния. Однако если при столкновении образуется черная дыра, этот оптический сигнал столкновения очень слаб. Это значит, что данные телескопа показывают, образовалась ли черная дыра или нет. В то же время полную массу объекта можно определить и по форме сигнала гравитационной волны: чем громче или сильнее сигнал, тем тяжелее были звезды.
Пока детекторы гравитационных волн и телескопы ждут следующего слияния нейтронных звезд, в GSI закладывается курс на еще более подробные открытия. С новым ускорительным центром FAIR, который в настоящее время строится в GSI, условия слияния нейтронных звезд в будущем можно будет моделировать еще более реалистично.
