Учёные впервые смоделировали формирование джета после слияния нейтронных звёзд

Снимок системы через 1,3 секунды после слияния нейтронных звёзд. Показаны плотность (синие и зелёные контуры), линии магнитного поля, проникающие в чёрную дыру (пурпурные линии), и магнитный джет (зелёные стрелки). В левом нижнем углу — увеличенное изображение области возле чёрной дыры. Автор: Кота Хаяши / Институт гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна)

Слияния двойных нейтронных звёзд — космические столкновения между двумя чрезвычайно плотными остатками звёзд, состоящими преимущественно из нейтронов, — давно привлекают внимание астрофизиков из-за своей сложной физики и возможных космологических последствий. Большинство предыдущих исследований этих событий основывались на численных методах, решающих уравнения общей теории относительности Эйнштейна в экстремальных условиях, характерных для слияний нейтронных звёзд.

Исследователи из Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна), Юкавского института теоретической физики, Университета Тиба и Университета Тохо провели самую продолжительную на сегодняшний день симуляцию слияния двойных нейтронных звёзд. Они использовали метод нейтринного радиационного магнитогидродинамического моделирования (MHD), который учитывает взаимодействие магнитных полей, сверхплотной материи и нейтрино.

Их симуляция, описанная в журнале Physical Review Letters, показала возникновение магнитного джета после слияния, за которым последовал коллапс системы в чёрную дыру.

«В 2019 году детекторы гравитационных волн зафиксировали событие, вызванное слиянием двойных нейтронных звёзд, которое сразу же привело к образованию чёрной дыры», — пояснил ведущий автор исследования Кота Хаяши. «Наша работа направлена на изучение динамики такого быстрого коллапса и прогнозирование мультимессенджерных сигналов (гравитационных волн, электромагнитного и нейтринного излучения) от подобных событий».

Моделируемое слияние произошло между двумя нейтронными звёздами разной массы — 1,25 и 1,65 солнечных масс. В основе симуляции лежало уравнение состояния SFHo, описывающее поведение материи в экстремальных условиях (например, внутри нейтронных звёзд).

«Мы провели моделирование, включающее эволюцию гравитационного поля, нейтринного излучения, магнитного поля и гидродинамики, — объяснил Хаяши. — Все эти факторы играют ключевую роль в системе. Мы смоделировали процесс продолжительностью рекордные 1,5 секунды реального времени с помощью японского суперкомпьютера "Фугаку"».

Исследователи обнаружили, что после слияния система быстро коллапсировала в чёрную дыру, окружённую турбулентным аккреционным диском. Этот диск, подверженный магнитно-вращательной неустойчивости, способствовал выбросу массы и созданию потока Пойнтинга (энергии, переносимой электромагнитными полями). В результате вдоль оси вращения чёрной дыры сформировался магнитный джет мощностью около 10⁴⁹ эрг/с.

«Это первая работа, в которой обнаружено образование магнитного джета после слияния нейтронных звёзд с последующим мгновенным коллапсом в чёрную дыру, — отметил Хаяши. — Мы показали, что такие системы могут порождать гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной. Также мы выяснили, что магнитное поле, формирующее джет, генерируется в аккреционном диске благодаря механизму динамо».

Это исследование проливает новый свет на сложную физику слияний нейтронных звёзд, демонстрируя, что при образовании чёрной дыры может возникать магнитный джет. В будущем это поможет уточнить астрофизические теории, связав модели слияний нейтронных звёзд с механизмами гамма-всплесков.

«Наше исследование сосредоточено на динамике слияния, выбросе массы и формировании джета, — добавил Хаяши. — Для интерпретации будущих наблюдений необходимы дополнительные исследования электромагнитного излучения. Кроме того, ускорение джета до более чем 99,9% скорости света, предсказываемое наблюдениями гамма-всплесков, не было зафиксировано в текущей симуляции. Чтобы полностью понять природу гамма-всплесков, нужно изучить процесс ускорения».

Дополнительная информация: Kota Hayashi et al, Jet from Binary Neutron Star Merger with Prompt Black Hole Formation, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.211407