Космический термометр: как измерить температуру новорожденной черной дыры

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Килоновая — результат катастрофического слияния двух нейтронных звезд, сопровождающегося образованием черной дыры и мощным выбросом электромагнитного излучения — является уникальным объектом для изучения физических процессов в экстремальных условиях. Исследование астрофизиков Института Нильса Бора открыло уникальную возможность изучать температуру элементарных частиц в экстремальных условиях, сравнимых с условиями ранней Вселенной, используя свет килоновых как космический термометр. Опубликованное в Astronomy & Astrophysics исследование предлагает новую модель формирования тяжелых элементов и дает беспрецедентный доступ к изучению физических процессов в непосредственной близости от новорожденной черной дыры.

До сих пор наблюдения за килоновыми давали лишь общую картину взрыва. Вращение Земли и ограниченное время наблюдений не позволяли получить полную картину эволюции этого явления. Датские ученые решили эту проблему, объединив данные с телескопов, расположенных в разных уголках планеты, включая «Хаббл». Этот подход позволил реконструировать развитие взрыва с беспрецедентной детализацией.

Килоновая, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Исследование принесло ключевой результат: измерение температуры плазмы, образовавшейся после столкновения нейтронных звезд. В начальной фазе температура плазмы достигает величины порядка миллиардов градусов Цельсия, что в 10³ раз превосходит температуру солнечного ядра и соответствует условиям Вселенной в течение долей секунды после Большого Взрыва. Высокая энергия среды приводит к полной ионизации атомов, формируя плазму, в которой электроны не находятся в связанном состоянии с атомными ядрами. С понижением температуры плазмы происходит рекомбинация электронов с атомными ядрами, приводящая к образованию нейтральных атомов, аналогично процессу рекомбинации в ранней Вселенной.

Спектральная серия килоновой AT2017gfo, показывающая эволюцию в течение первых 10 дней после слияния. Эта спектральная компиляция данных включает ранние спектры, полученные с помощью телескопов Магеллан (Shappee et al. 2017), 2,3-метрового телескопа ANU (Andreoni et al. 2017) и SALT (Buckley et al. 2018). Начиная с 1,4 дня после слияния, спектрограф X-shooter на VLT Европейской южной обсерватории с ежедневной периодичностью детализирует структуру от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона (Pian et al. 2017; Smartt et al. 2017). Для ограничения быстрой эволюции в ранние периоды мы также включаем 1,5-дневные спектры Gemini FLAMINGOS-2 и SOAR (Nicholl et al. 2017; Chornock et al. 2017). В промежуточное и позднее время инфракрасная спектроскопия HST (Tanvir et al. 2017) дополнительно ограничивает спектральную структуру в теллурической области около 1400 нм. Спектральный континуум хорошо описывается как черное тело во все фотосферные эпохи и даже в эпохи небулярной фазы с эволюцией температуры черного тела, которая подробно описана в разд. 4 (см. ориг исследование). На подпанелях с увеличением выделены отдельные спектральные линии в разные эпохи, включая (1) особенности P Cygni на длине волны 760 нм, (2) 1,0 мкм и (3) 1,4 мкм, а также (4) особенности эмиссии линий в ближнем свете.
Автор: Sneppen, A., et al.: A&A, 690, A398 (2024) Источник: www.aanda.org

Процесс рекомбинации, аналогичный тому, что привел к образованию реликтового излучения спустя 370 000 лет после Большого Взрыва, наблюдается в килоновой с временным масштабом, значительно меньшим, чем в ранней Вселенной. Ученые, по сути, наблюдают за «мини-Большим взрывом» и последующим формированием материи, словно заглядывая в прошлое нашей Вселенной.

Наблюдения за спектральными линиями стронция и иттрия в свечении килоновой подтверждают образование тяжелых элементов в этом космическом горниле. Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания происхождения элементов тяжелее железа, которые, как предполагалось, синтезируются именно в таких экстремальных условиях.

Степень ионизации Sr в LTE как функция температуры и плотности электронов. Мы наложили примерное расположение в ландшафте параметров AT2017gfo со временем. Линии показывают эволюцию, смоделированную как ограничения от эффектов реверберации в пределах одной эпохи. Планки погрешностей температуры относятся к части эжекта с линейным расширением (Sneppen 2023), а плотность предполагает сферически симметричный, однородный и гомологично расширяющийся высокоскоростной (0,2c ≤ v ≤ 0,3c) компонент эжекта в 0,01 M⊙. Электронная плотность может быть оценена только на порядок величины, но независимо от точного значения происходит быстрое ступенчатое изменение состояния ионизации в узком интервале температур около 4500 К. Особенность в 1 мкм не обнаружена в наблюдениях до 1 дня (отмечена красным), но начиная с 1,17 дня и далее она присутствует (отмечена синим).
Автор: Sneppen, A., et al.: A&A, 690, A398 (2024) Источник: www.aanda.org

Но самое удивительное заключается в том, что благодаря стремительному расширению огненного шара килоновой, наблюдение за разными его участками позволяет увидеть разные стадии взрыва. Свет от более далеких областей, расположенных на противоположной стороне от черной дыры, доходит до нас с большей задержкой. Таким образом, наблюдая за этими областями, мы видим более ранние этапы взрыва, в то время как ближние области отражают более поздние стадии. Это как иметь космическую машину времени, позволяющую наблюдать эволюцию взрыва, растянутую во времени и пространстве.

Работа датских астрофизиков — это не просто измерение температуры. Это новый метод изучения экстремальных состояний материи, позволяющий нам приблизиться к пониманию фундаментальных процессов, происходивших в ранней Вселенной и играющих ключевую роль в формировании химических элементов. Это настоящий прорыв, открывающий новые горизонты для астрофизических исследований.