Вдали от нашего уютного дома в космосе звезды совершают жестокие и экстремальные действия, почти превосходящие наше воображение. Нейтронные звезды, невероятно плотные остатки огромных звезд - чайная ложка их вещества весит столько же, сколько гора Эверест, - врезаются друг в друга. В результате столкновения образуются черные дыры и происходят чрезвычайно энергичные вспышки света, известные как вспышки гамма-лучей (GRBs).
Астрономы интересуются GRB с тех пор, как в 1967 году была замечена первая вспышка. Но еще многое предстоит понять о том, что именно происходит при столкновении двух нейтронных звезд. Новое исследование, недавно опубликованное в журнале Nature, выявило полезные сигналы, известные как квазипериодические колебания (КПО), в старых наблюдениях GRB. QPOs дают ученым возможность исследовать короткое время после столкновения нейтронных звезд, но до того, как они коллапсируют в черную дыру. Это отпечатки того, как материя закручивается и смешивается в процессе слияния.
С момента появления в 2016 году технологии обнаружения гравитационных волн многие астрономы сосредоточились на изучении слияний нейтронных звезд с помощью LIGO и подобных экспериментов. Но эти наблюдения дают половину картины, поскольку существующие детекторы чувствительны только к некоторым гравитационным волнам, создаваемым слияниями. Чтобы обнаружить более высокочастотные волны, которые мы сейчас упускаем, нам придется ждать годы - возможно, даже десятилетия - пока новые проекты, такие как телескоп Эйнштейна, будут запущены в эксплуатацию.
Новое исследование показывает, что существующая технология, использующая гамма-излучение, может быть альтернативой для исследования той же физики, которая создает более высокочастотные волны. QPO, которые представляют собой колебания в наблюдаемых гамма-лучах, повторяющиеся полурегулярно, кодируют информацию о физике слияния. Авторы исследования проанализировали два события, которые вызвали QPO неопределенного происхождения - они могли возникнуть в нашей галактике или далеко за ее пределами.
"Мы смотрим на то, что происходит в доли секунды между слиянием двух звезд и вспышкой гамма-излучения. Почти обидно, что эти сигналы можно будет обнаружить в гравитационных волнах только через 10-15 лет", - говорит ведущий автор исследования Сесилия Чиренти, научный сотрудник Центра космических полетов НАСА имени Годдарда и Университета Мэриленда. "Но я нетерпелива и не хочу ждать! Очень интересно, что мы можем начать искать и изучать их уже сейчас с помощью гамма-лучей!".
Столкновение двух нейтронных звезд - отличная лаборатория для изучения физики этих странных, мертвых шаров. Их конечная судьба зависит от важного неизвестного в физике высоких энергий: уравнения, которое описывает, из чего состоят нейтронные звезды и как этот материал движется, течет и взаимодействует с окружающим миром.
"Материя в ядрах нейтронных звезд существует в состоянии, которое не наблюдается больше нигде во Вселенной, включая лаборатории на Земле", - говорит Коул Миллер, астроном из Университета Мэриленда и соавтор исследования. "Измерения свойств нейтронных звезд могут дать нам представление о недоступной в иных случаях физической сфере".
В поисках QPO группа исследователей изучила архивы данных нескольких космических телескопов НАСА: Гамма-лучевого космического телескопа Ферми, обсерватории Свифт и Комптонской гамма-лучевой обсерватории. Хотя эти GRB были идентифицированы много лет назад - еще в 1990-х годах - огромная сложность сигналов GRB до сих пор скрывала эти QPO-сигналы от астрономов. Один из моих коллег язвительно заметил: "Если вы видели один гамма-всплеск, то вы видели один гамма-всплеск", - говорит Миллер. "Это затрудняет определение того, есть ли какой-то сигнал осцилляции, или это просто GRBs - это GRBs".
В обоих случаях QPO свидетельствуют о том, что перед коллапсом в черную дыру могла сформироваться нейтронная звезда огромного размера. Итай Линиал, астроном из Колумбийского университета и Принстона, не участвовавший в исследовании, говорит, что в целом пока неясно, образуется ли черная дыра сразу или нейтронная звезда появляется на долю секунды перед коллапсом в черную дыру во время GRB, но соглашается, что эти новые сигналы "могут быть результатом быстро вращающегося остатка нейтронной звезды".
Благодаря обнаружению этих гамма-сигналов у астрономов появился новый инструмент для изучения некоторых самых странных и диких явлений во Вселенной. Имея в своем распоряжении сокровищницу старых данных, команда надеется с помощью этого инструмента найти больше примеров этих любопытных слияний.