Слияния нейтронных звезд: Гравитационные волны, кilonovy и происхождение золота

Дві зірки розміром із міста, що спіраються разом

Нейтронна зірка містить у собі масу, еквівалентну масі Сонця, в сфері лише приблизно 20 кілометрів у діаметрі – достатньо щільну, щоб чайна ложка матеріалу з неї важила приблизно так само, як і величезна гора на Землі. Коли дві нейтронні зірки обертаються навколо одна одної в тісному бінарному системі, вони не є гравітаційно стабільними назавжди: загальна теорія відносності передбачає, що пара постійно випромінює енергію у вигляді гравітаційних хвиль – зморщуючих просторічорного чару, і що поступове зменшення енергії призводить до уповільнення та стиснення орбіти. Протягом мільйонів або біля мільярдів років цей процес інspiralування прискорюється, а за кілька секунд перед зіткненням обидві зірки обертаються навколо одна одної сотні разів на секунду.

Початок, який вимірюють гравітаційні хвилі: «Чірик»

Як орбіта стискається та прискорюється, частота та амплітуда випроджених гравітаційних хвиль одночасно зростають, створюючи характерний підйомний тон, який детектори, такі як LIGO і Virgo, називають «чірком». 17 серпня 2017 року цей «чірк» був зафіксований від злиття нейтронних зірок вперше, подія каталогізована як GW170817, і, що важливо, вона також була помічена в електромагнітному спектрі протягом секунд незалежним виявленням гамма-вибущу, за яким слідувала тиждень спостережень через оптичні, інфрачервоні, радіо та рентгенівські телескопи – вперше одночасно підтвердити одну космічну подію за допомогою як гравітаційних хвиль, так і світла.

gravitational-wave chirp (schematic), final seconds of inspiral:

  frequency:  rises as the orbit shrinks and speeds up
  amplitude:  rises as the stars accelerate toward merger

  ...low, quiet  ->  rising, louder  ->  peak at merger  ->  ringdown

matched against GW170817:
  ~100 seconds of signal in LIGO's sensitive band before merger

Кілонова: де виготовляються важкі елементи

У момент зіткнення гравітаційні сили розривають на частини частину нейтронно-збагаченого матеріалу, що відходить від злиток, і викидають його в просторі зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Цей викинутий матеріал надзвичайно багатий на вільні нейтрони та підпадає жертві швидкого захоплення нейтронів (r-процес) — атомні ядра поглинають нейтрони значно швидше, ніж вони можуть розпадуватися бета-розпадом, утворюючи надзвичайно важкі, нейтронно-збагачені ізотопи, які потім переходять до стабільності, вивільняючи спалах світла, що називається кілоною. Цей процес тепер вважається основним джерелом золота, платини та інших елементів у Всесвіті, важчих за залізо, які звичайне зоряне злиття не може виробляти, оскільки злиття стає енергетично невигідним, коли ядро досягає заліза.

Нещодавно утворені об'єкти

Міжзоряне злиття безпосередньо залежить від сукупної маси двох нейтроних зірок. Якщо маса залишку залишається нижчою за межу максимальної маси нейтронного зірки, він може короткий час або навіть назавжди існувати як окрема, більш масивна нейтронна зоря; частіше ж, для типових спостережних мас, маса залишку перевищує цей ліміт і миттєво або протягом мілісекунд колапсує в чорну діру, часто все ще оточена гарячим диском залишків уламків, який може живити релятивістську джерельну струмоту та супроводжуючий короткий спалах гамма-променів, що відповідає тому, що спостерігалося разом із GW170817.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Neutron Star Merger & Kilonova і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.