Чёрные дыры, Спинары и «бедуинский прыжок» Камиллы Валеевой.
В работе были использованы роботизированные наземные и космические системы России для наблюдения самых мощных во Вселенной взрывов - гамма-всплесков.
Вклад авторов российских ученых состоит в регистрации собственного гамма- и оптического излучения с максимальным временным разрешением. Собственным излучением гамма-всплесков называется оптическое излучение в момент взрыва. Поскольку взрыв длится менее нескольких минут, то такие наблюдения представляют собой сложнейшую научно-техническую задачу, которая была решена в МГУ при построении Глобальной сети телескопов-роботов МАСТЕР и запуске первой российской многоканальной космической обсерватории ЛОМОНОСОВ. Кроме того, для интерпретации явления была привлечена теоретическая модель разработанная в МГУ
Сэр Артур Эддингтон не любил чёрных дыр, хотя сам первым приветствовал теорию относительности (специальную и общую) Эйнштейна. Один из величайших астрофизиков XX века, ученый открывший тайну свечения звёзд и раньше всех осознавший, что звёзды не вечны, любил повторять, что Господь Бог, сотворивший мир не позволит уйти материи навсегда из нашей Вселенной. По-видимому, Эддингтон ошибся : чёрные дыры скорее всего образуются. Но в любой ошибке большого учёного есть и доля истины. Да, мы теперь знаем, что звезда «опасно большой» массы обязана уйти навсегда под горизонт событий. Но вот в процессе своей эволюции, звёзды во что бы то ни стало, пытаются сбросить «лишний вес», чтобы только не стать чёрной дырой. Это желание "раскорячиться" можно назвать "синдром Эддингтона". Так все голубые звёзды постоянно надувают щёки и выдувают из себя миллионы миллиардов тон вещества в секунду виде звёздного ветра, а в двойных системах часто коварно пытаются «одолжить» лишнюю массу соседке!
Но есть одна сила в природе, которая может продлить жизнь толстушке. Да! Единственная сила, которая способна противостоять силе гравитации – это центробежная сила. Звезда, которая вращается слишком быстро, не может просто так превратиться в чёрную дыру. Именно поэтому в природе не может быть чёрных дыр с моментом вращения больше некоторого.
Так вот, объект, в котором гравитационная сила уравновешивается центробежной и называется Спинаром1. Очевидно Спинар будет жить так долго, как долго он будет сохранять свой вращательный момент. Другими словами, Спинар, сколлапсирует так быстро, как быстро диссипативные силы унесут его момент вращения. Спинар удивителен и ведёт себя совсем не так как волчок, который теряя момент замедляет скорость вращения. Спинар наоборот – ускоряется, подобно фигуристке, которая сводит при вращении руки. Кстати фигуристка при этом совершает работу , а в процессе сжатия Спинара работу совершает сила тяжести.
Так вот статья посвящена интерпретации синхронных многоволновых наблюдений гамма-всплеска GRB 160625B российскими космическими и наземными системами.
25 июня 2016 г. произошла одна из самых ярких вспышек в истории наблюдений гамма-всплесков GRB 160625B. Наиболее детальные оптические наблюдения провела Глобальная сеть телескопов-роботов МГУ МАСТЕР. Одна из трёх наиболее ярких вспышек за всю историю наблюдений привлекла внимания практически всех наземных и космических обсерваторий мира. Наиболее детальные и разнообразные оптические наблюдения в оптическом диапазоне провели телескопы сети МАСТЕР расположенные в Крыму и на Канарских островах. Во-первых , специальные Широкопольные Оптические Камеры (ШОК) сняли «фильм» с большим временным разрешением и практически без пауз. Во-вторых, главные телескопы-роботы сети МАСТЕР и провели синхронную запись с гамма - и оптического излучения. В -третьих, один из телескопов МАСТЕР впервые зафиксировал поляризацию синхронного оптического излучения (статья была опубликована в Nature) . Статья была посвящена в основном внешним проявлениям одного из трёх исторических взрывов зафиксированных человечеством – формированию релятивистских выбросов. Однако, нас – российских соавторов той статьи - всё время беспокоило то, что не все отечественные результаты попали в ту статью и, главное, что хотелось выяснить: а, что собственно говоря, происходило там - на расстоянии почти 10 миллиардов световых лет от Земли?
Сейчас почти никто не сомневается, что «длинные» (продолжительностью более 4 сек) гамма-всплески порождаются в процессе формирования быстровращающихся чёрных дыр. Однако почти никто не может сказать – как при этом работает «центральная машина» этого мероприятия. И вот удивительные три особенности этого события, зарегистрированные гамма и оптическими телескопами получили объяснения в рамках совершенно не принятой на западе парадигме Спинара.
Представлены результаты наблюдений гамма-всплеска GRB 160625B в разных диапазонах энергий. Видно, что событие G3 надежнее всего зафиксировано гамма-детекторами космической обсерватории "Ломоносов".
Черным цветом показаны наблюдения гамма-события зарегистрированные американской космической обсерваторией Ферми 25 июня 2016 года (G1 - предвестник, G2 -основной импульс, G3 - повторный импульс лучше всего был виден гамма детекторами БДРГ Ломоносов). Синим цветом – приведен поток жесткого излучения, полученный с космического эксперимента «Конус-Винд» нашими коллегами из Института им. Иоффе (СПб). Коричневым цветом, показаны данные с борта обсерватории Ломоносов. Красным показаны оптические наблюдения наземных аналогов камер ШОК на Канарских островах. Синие звездочки – это данные с крымского телескопа-робота МАСТЕР-Таврида.
Как видим, длинный всплеск оказался достаточно долгим и можно выделить 3 события: G1 - предвестник, G2 -основной импульс, G3 - повторный импульс лучше всего был виден гамма детекторами БДРГ Ломоносов. Кроме того, анализ оптического излучения показал не случайную квазипериодичность. Такое впечатление, что начиная c 50 секунды основного импульса G2 какой-то квазистатический вращающийся объект, который живёт до 450 секунды а потом, даёт последнюю вспышку гамма-излучения G3.
В этой работе мы решили объяснить эти три вспышки в модели Спинара. Модель Спинара звёздной массы – а именно речь идёт о коллапсе звёзд после того как у них заканчивается ядерное топливо – была предложена в 1983 году ассистентом кафедры Астрофизики физического факультета МГУ Владимиром Липуновым. Здесь приводится художественная концепция образования Спинара в двойной системе (1984). Быстровращающийся, сильно сплюснутый объект медленно сжимается теряя момент вращения, например, за счёт собственного магнитного поля (Липунов, 1987).
Воображаемая графическая модель спинара в 1984 г.
Позже, часть соавторов представляемой здесь работы (Г.В.Липунова, Е.С.Горбовской, А.Р.Часовников и В.М.Липунов – все из МГУ), построили качественную численную модель эволюции такого объекта с учётом всех эффектов Общей Теории Относительности, вплоть до теоремы Пенроуза об отсутствии магнитного поля чёрной дыры (теорема «Об отсутствии волос у чёрной дыры»).
Теоретический расчет эволюции Спинара (не Магнитара!) с массой много больше Опенгеймера-Волкова. Образуется предельно вращающаяся чёрная дыра. Обратите внимание на верхнем рисунке радиус измеряется в единицах радиуса Шварцшильда. А на нижнем - мощность центральной машины в эрг/сек.(Липунов и Горбовской, 2007)
Итак что происходит (см диаграмму слева: Сверху-вниз. Серым цветом показана звезда у которой закончилось ядерное топливо и массивное вращающееся намагниченное ядро (черный кружок) начинает свободно падать (коллапсировать) в центр. Однако в какой-то момент ядро раскручивается и центробежная сила уравновешивает гравитационную и падение останавливается – образуется Спинар. В исполнении Камилы Валеевой этот переход называется «прыжок бедуина».
При этом половина гравитационной энергии переходит в энергию вращения Спинара, а вторая излучается в виде предвестника гамма-всплеска (событие G1). Далее Спинар быстро или медленно (в зависимости от величины его магнитного момента) теряет момент вращения Вращение «горизонтальная либела» у Валеевой. Потом сжимаясь раскручивается подобно фигуристке – ускоряющееся вращение («вертикальная либела»). Чем ближе горизонт событий, тем быстрее сжатие и вращение ядра и обычно все кончается гораздо более мощной вспышкой G2 – коллапсом ядра в предельно вращающуюся чёрную дыру. Но в случае GRB 160825B не так просто. Если подобрать массу ядра близкой пределу массы нейтронной звезды (предел Опегеймера-Волкова), то коллапс остановится – на помощь центробежной силой придут ядерные. И тогда возникнет что-то наподобие сильно квазистатической нейтронной звезды - пульсара. Если её магнитное поле превысит 3 1014 Гаусс, то получится что-то похожее на Магнитар. В нашем случае получилось ~1015 Гаусс (см. блок кривых коллапса). Однако, это некая смесь Спинара и Магнитара. Дело в том, что масса нейтронной звезды слегка превосходит предел Опенгеймера-Волкова и Спинар теряя момент вращения продолжает сжимается и наконец коллапсирует в чёрную дыру - событие G3. Итак, стало понятно, почему статья в нашей статье фигурирует «трёхстадийный коллапс».
Надо понимать, справа вы видите численный расчет хотя и релятивистской,
но приближенной модели. Кажется, вторая сверху кривая –
изменение энергии излучаемая Спинаром в единицу времени -
слабо согласуестся с острым профилем главного импульса гамма-всплеска
(событие G2). Но надо понимать, что перед вами выделяемая энергия.
А наблюдаемая – это та часть, которая вырвалась наружу в релятивистском джете.
Но само появление джета – это процесс пороговый и поэтому наблюдаемая
кривая будет гораздо более несимметричной. Джет должен пробить оболочку звезды, которая вообще за это время пока коллапсировал спинар даже не сдвинулась с места! Но она потом потихоньку пойдёт и через недельку вспыхнет слабенькая сверхновая звезда.
Читатель может сказать, да недолго музыка играла. Всего несколько минут. А посмотрите на ролик Камиллы Валеевой – сколько таланта и красоты успевает пройти перед нашими глазами. Но на самом деле надо учитывать, что если бы Спинар не образовался, то коллапс длился бы в 100 миллионов раз быстрее: надо разделить время в собственной системе отсчета ~300 сек на время прямого коллапса 3/105 секунд гравитационный радиус 10 км на скорость света 300 000км/с)!
Наслаждайтесь
1От русского слова «спина». Ведь по-английски «spin», например, электрона – это «позвоночник». А где позвоночник - вот именно: на спине.
Итак что происходит (см диаграмму слева: Сверху-вниз. Серым цветом показана звезда у которой закончилось ядерное топливо и массивное вращающееся намагниченное ядро (черный кружок) начинает свободно падать (коллапсировать) в центр. Однако в какой-то момент ядро раскручивается и центробежная сила уравновешивает гравитационную и падение останавливается – образуется Спинар. В исполнении Камилы Валеевой этот переход называется «прыжок бедуина».
