Магнитный хаос: Суперкомпьютер NASA раскрыл бурю, предшествующую слиянию нейтронных звёзд

Новое моделирование, выполненное на суперкомпьютере NASA, показало, как воцаряется хаос при сближении нейтронных звёзд ещё до их столкновения: их магнитосферы, самые мощные магнитные поля в известной Вселенной, переплетаются и порождают невероятную турбулентность.

Нейтронные звёзды — самые экстремальные объекты во Вселенной, возникающие при гибели массивных светил в мощных взрывах сверхновых. Они настолько плотные, что одна чайная ложка их вещества, если бы её доставили на Землю, весила бы около 10 миллионов тонн — примерно как 85 000 взрослых синих китов.

Учитывая это, неудивительно, что всё становится невероятно яростным, когда две нейтронные звезды сталкиваются и сливаются. Именно в таких катаклизмах создаётся единственная среда во Вселенной, достаточно турбулентная для рождения золота, серебра, плутония и других элементов тяжелее железа. Даже в бушующих недрах самых массивных звёзд такое звёздное алхимическое действо невозможно.

«Непосредственно перед столкновением нейтронных звёзд области вокруг них, заполненные плазмой и обладающие сильной намагниченностью — магнитосферы, — начинают интенсивно взаимодействовать, — заявил в своём обращении руководитель исследования Димитриос Скиатас, научный сотрудник Центра космических полётов NASA имени Годдарда. — Мы изучили последние несколько витков перед слиянием, когда переплетённые магнитные поля претерпевают быстрые и драматические изменения, и смоделировали потенциально наблюдаемые сигналы высоких энергий».

Что делает нейтронные звёзды столь экстремальными?

Когда у звёзд массой примерно с Солнце заканчивается водород — топливо для термоядерного синтеза в их ядрах, — их ядра сжимаются, а внешние оболочки расширяются и в конечном итоге рассеиваются. Так звёзды заканчивают свою жизнь в виде тлеющих угольков — белых карликов.

Однако для звёзд массой примерно в 10 раз больше солнечной и выше всё иначе. Когда их истощённые водородом ядра коллапсируют, дополнительная масса создаёт давление и температуру, необходимые для слияния гелия (который накапливался в ядре за миллионы лет горения водорода) и образования ещё более тяжёлых элементов.

Этот повторяющийся процесс истощения топлива, коллапса и нового воспламенения продолжается до тех пор, пока сердце массивной звезды не заполнится железом. Когда происходит этот финальный коллапс, ударные волны расходятся по внешним слоям звезды, которые срываются в чудовищном взрыве сверхновой, унося с собой подавляющую часть массы светила.

Остаётся звёздный остаток массой от одной до двух солнечных, состоящий из богатого нейтронами вещества, сжатого в сферу диаметром всего около 20 километров. Стремительное сжатие ядра не только создаёт объект невероятной плотности, но и порождает магнитные поля, которые могут быть в квадриллион раз сильнее магнитосферы Земли.

Массивные звёзды часто рождаются в двойных системах. Когда оба светила в такой паре гибнут, может образоваться двойная нейтронная звезда. Вращаясь друг вокруг друга, эти мёртвые звёзды создают рябь в пространстве-времени — гравитационные волны, которые уносят с собой угловой момент. Это приводит к постепенному сближению пары. Другими словами, звёздные остатки сближаются, испуская гравитационные волны всё более высокой частоты, теряя момент ещё быстрее и сходясь в ещё более стремительной спирали.

Всё заканчивается, когда нейтронные звёзды оказываются достаточно близко, чтобы их взаимная гравитация взяла верх, что неминуемо ведёт к столкновению и слиянию. Это порождает всплеск высокоэнергетического излучения — гамма-всплеск, последний «визг» гравитационных волн, а также выброс богатого нейтронами вещества, в котором рождаются очень тяжёлые, но нестабильные элементы. Со временем они распадаются, образуя золото, серебро и другие металлы тяжелее железа. Этот распад также создаёт свечение, которое астрономы называют килоновой.

Тот факт, что именно эти события ответственны за создание некоторых из наших самых ценных и важных элементов, а также за яркие космические феномены вроде гамма-всплесков и килоновых, привёл к тому, что основное внимание учёных было сосредоточено на изучении последствий слияний нейтронных звёзд.

Скиатас и его коллеги выбрали другой подход, более глубоко изучив то, что происходит перед встречей нейтронных звёзд.

Бурный магнетизм

Чтобы смоделировать последние 7,7 миллисекунд перед слиянием, команда использовала суперкомпьютер Pleiades в Исследовательском центре NASA имени Эймса, создав более 100 симуляций системы из двух нейтронных звёзд массой около 1,4 солнечных каждая.

«В наших симуляциях магнитосфера ведёт себя как магнитная цепь, которая постоянно перестраивается по мере орбитального движения звёзд. Силовые линии соединяются, разрываются и снова пересоединяются, в то время как токи проносятся через плазму со скоростью, близкой к световой, а быстро меняющиеся поля могут ускорять частицы, — сказал в заявлении член команды Константинос Калапотаракос из NASA Goddard. — Именно для отслеживания этой нелинейной эволюции в высоком разрешении нам и нужен суперкомпьютер!»

Главной целью команды было исследовать, как магнитные поля этих звёздных остатков влияют на свет (или, в технических терминах, электромагнитное излучение) в течение последних витков их взаимного вращения.

«Наша работа показывает, что свет, испускаемый такими системами, сильно меняется по яркости и распределён неравномерно, поэтому точка зрения удалённого наблюдателя на слияние имеет огромное значение, — добавил Зоравар Вадиасингх из Университета Мэриленда и NASA Goddard. — Сигналы также становятся намного сильнее по мере сближения звёзд, и это усиление зависит от относительной ориентации их магнитных полей».

Моделирование показало, как магнитные поля нейтронных звёзд «сметаются» за ними по мере орбитального движения, соединяя звёздные остатки, затем разрываясь и снова пересоединяясь.

Исследователи также смогли с помощью Pleiades смоделировать, как электромагнитные силы воздействуют на поверхности нейтронных звёзд. Целью было определить, как в таких системах накапливается магнитное напряжение, однако для понимания роли магнитного взаимодействия в самые последние мгновения перед слиянием потребуется дальнейшее моделирование.

«Такое поведение может оставить отпечаток на сигналах гравитационных волн, которые можно будет обнаружить на установках следующего поколения, — отметил член команды Демосфен Казанас, исследователь из NASA Goddard. — Ценность подобных исследований в том, что они помогают нам понять, что будущие обсерватории смогут увидеть и на что им следует обращать внимание как в гравитационных волнах, так и в свете».

Учёные смогли использовать смоделированные магнитные поля для определения областей, где возникают излучения самой высокой энергии, и того, как это излучение будет распространяться в среде слияния нейтронных звёзд.

Они обнаружили, что области вокруг сливающихся нейтронных звёзд производят высокоэнергетические гамма-лучи, но это излучение не может их покинуть. Причина в том, что фотоны гамма-излучения (отдельные частицы света) быстро превращаются в пары электронов и позитронов. Однако гамма-лучи более низких энергий, наряду с ещё менее энергичным излучением, таким как рентгеновские лучи, могут вырваться из зоны слияния.

Это означает, что будущие космические гамма-телескопы, особенно с широким полем зрения, можно будет использовать для обнаружения сигналов от нейтронных звёзд на грани слияния. Ещё один способ изучения таких систем перед слиянием в будущем — обнаружение гравитационных волн.

Здесь может быть особенно полезен совместный проект NASA и Европейского космического агентства — космическая антенна LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Её запуск запланирован на середину 2030-х годов, и она станет первым детектором гравитационных волн в космосе, обладая гораздо более высокой чувствительностью, чем нынешнее поколение наземных детекторов, таких как LIGO. Результаты работы команды были опубликованы 20 ноября 2025 года в The Astrophysical Journal.

Таким образом, эти симуляции открывают новое окно в предсмертный «танец» нейтронных звёзд, показывая, что их финальные мгновения — это не просто гравитационная, но и электромагнитная буря невообразимой мощности. Это знание прокладывает путь для будущих наблюдений, которые могут уловить уникальные «предсмертные сигналы» этих космических катаклизмов, объединив данные гравитационно-волновой и электромагнитной астрономии для полной расшифровки одной из самых энергичных драматургий во Вселенной.