Дослідники знайшли новий спосіб виявляти деякі з найкатастрофічніших подій злиття у Всесвіті, перш ніж вони відбудуться.

Нейтронні зірки, надзвичайно щільні ядра масивних мертвих зірок, що обертаються по спіралі назустріч один одному або в чорну діру, можуть піднімати приливні хвилі в океанах важких заряджених частинок, що оточують нейтронні зірки. Дослідники виявили, що ці приливні хвилі проявляються через регулярні спалахи електромагнітного випромінювання, які можуть служити системою раннього попередження про злиття, що насуваються.

Нейтронні зірки, мабуть, найекстремальніші об’єкти у Всесвіті. Так, чорні діри можуть бути екзотичнішими, але вони відносно прості — у них просто дуже багато гравітації. Навпаки, нейтронні зірки – це, по суті, гігантські атомні ядра, і це пов’язано з цікавою та складною фізикою, якої немає у чорних дір.

Типова нейтронна зірка має діаметр всього кілька кілометрів, але при цьому може важити в кілька разів більше за масу Сонця. Вони майже повністю складаються з нейтронів (звідси і назва), але містять популяції вільних електронів, протонів та іонів важких ядер. Вони народжуються з наднових – вибухів вмираючих масивних зірок – і деякі з них можуть містити найсильніші магнітні поля у всьому Всесвіті.

Надра нейтронних зірок найзагадковіші, оскільки тиск і щільність настільки великі, що виходять за межі наших нинішніх знань про фізику. Деякі моделі припускають, що ядра є просто однорідним потоком нейтронів, в той час, як інші натякають на те, що самі нейтрони розпадаються на їх кварки. За внутрішнім ядром знаходиться тверда, гладка маса нейтронів, яка повільно переходить у складніші візерунки, такі як брили та нитки, відомі під загальною назвою ядерна паста.

Вважається, що зовнішня кора нейтронної зірки складається з надплинних електронів і нейтронів, що поступаються місцем кристалічній решітці у міру наближення до поверхні. Нарешті, є океан – шар рідких електронів, нейтронів та іонів на глибині від 10 до 100 м.

Надзвичайно екзотична природа матерії в цих умовах – надплинні нейтрони зазвичай не зустрічаються просто так – дозволяє нейтронним зіркам бути головним кандидатом для вивчення екстремальної фізики. Ця ідея була вдосконалена після відкриття GW 170817, сигналу гравітаційної хвилі, виявленого разом з електромагнітним випромінюванням двох нейтронних зірок, що зливаються. Спільне виявлення, що отримало назву мультимесенджерної астрономії, дозволяє фізикам досліджувати серцевини нейтронних зірок, як ніколи раніше.

Але з моменту першого виявлення гравітаційних хвиль у 2017 році ми не бачили жодних інших подій злиття нейтронних зірок, що розчаровує, тому що нейтронні зірки є однією з найкращих природних лабораторій для перевірки фізики високих енергій.

Але тепер новий метод спостереження за екзотичною поведінкою нейтронних зірок може означати, що нам не доведеться довго чекати. Нова робота, опублікована в травні в базі даних препринтів arXiv, присвячена океанам нейтронних зірок, які, крім вільних електронів та нейтронів, також можуть містити вуглець, кисень та залізо. Хоча океани відносно неглибокі в порівнянні з усією глибиною нейтронної зірки, вони є зовнішнім шаром (не рахуючи неймовірно тонкої «атмосфери») і тією частиною нейтронної зірки, яка найлегше реагує на зовнішній Всесвіт.

Зокрема, дослідники виявили, що ці мілководні океани можуть підтримувати припливи, як океани на Землі. Але щоб підняти приплив на нейтронній зірці, потрібно набагато більше гравітаційного тяжіння, щоб подолати всю цю екстремальну гравітацію. Припливи на нейтронних зірках з’являються лише тоді, коли нейтронна зірка знаходиться досить близько до масивного, щільного об’єкта, такого як інша нейтронна зірка або чорна діра.

На щастя, такі подвійні пари відносно поширені, оскільки зірки, зазвичай, формуються у кількох системах, а потім проходять свій життєвий цикл, зрештою залишаючи після себе комбінації чорних дір і нейтронних зірок.

Коли нейтронна зірка починає зливатися з іншою нейтронною зіркою або чорною дірою, об’єкти протягом декількох років повільно зближуються по спіралі. Коли вони обертаються, гравітаційні хвилі забирають енергію із системи, притягуючи пару ближче. Зрештою, в останні моменти злиття завершується за лічені секунди.

Але перш ніж це станеться, орбітальний супутник може спричинити серію резонансних припливів на нейтронній зірці. Ці припливи можуть підтримувати частоту до 100 мегагерців і нести до колосальних 10^29 джоулів енергії. Щоб дати вам уявлення про те, наскільки велике це число, скажу, що щороку все людство використовує лише 10^20 джоулів. Резонансна хвиля одиночної нейтронної зірки має більше енергії, ніж все випромінювання Сонця за 10 тис. років.

На відміну від океанських хвиль ці припливи складаються з океану плазми. Надзвичайні електричні заряди означають, що припливи можуть випромінювати інтенсивні спалахи електромагнітного випромінювання, які можуть здаватися нам спалахами рентгенівського та гамма-випромінювання.

Ґрунтуючись на своїх розрахунках, дослідники підрахували, що космічні обсерваторії, такі як космічний гамма-телескоп Фермі і масив ядерних спектроскопічних телескопів (NuSTAR), можуть виявляти кілька нейтронних зірок щороку, і що ці сигнали з’являтимуться до за кілька років до остаточного злиття.

З таким попередженням астрономи можуть підготувати свої телескопи та обсерваторії, щоб вони були готові зловити момент самого злиття та заглибитися в ще цінніші дані про електромагнітні та гравітаційні хвилі.