Нейтронные звезды — это экстремально плотные объекты, остатки массивных звезд, взорвавшихся сверхновыми. Когда две такие звезды сталкиваются и сливаются, происходит взрыв колоссальной мощности, называемый килоновой. Он выплескивает в космос огромное количество нейтронно-богатого вещества, которое быстро превращается в тяжелые элементы через процесс быстрого захвата нейтронов (r-процесс). Именно так, как считают астрономы, во Вселенной образуется большинство элементов тяжелее железа — от золота и платины до урана.
Впервые это удалось подтвердить в 2017 году, когда гравитационно-волновое событие GW170817 было сопоставлено с оптическим наблюдением килоновой AT2017gfo. С тех пор ученые накопили больше данных, но они поставили перед ними новую загадку. В 2023 году телескоп «Джеймс Уэбб» наблюдал килоновую AT2023vfi, связанную с гамма-всплеском GRB 230307A. Спектр показал мощную инфракрасную эмиссию, по форме напоминающую излучение абсолютно черного тела при температуре около 660 К (около 387°C). Это слишком «холодно» для свежего взрыва. Аналогичное инфракрасное покраснение наблюдалось и в исходной килоновой AT2017gfo спустя несколько недель после взрыва. Ни одна стандартная модель атомной эмиссии не могла объяснить такой феномен.
Группа астрономов под руководством Нанаэ Домото из Токийского университета предложила решение. Их модель описывает, как выброшенное вещество остывает, и тяжелые элементы, синтезированные в r-процессе, начинают конденсироваться в твердые пылевые частицы. Именно эта экзотическая пыль (сделанная из элементов вроде золота и платины) излучает тот самый инфракрасный свет. Статья опубликована на портале нерецензированных научных материалов arXiv.
Модель предсказывает, что пыль начинает формироваться примерно через 10−20 дней после слияния. «Когда в модель включают пыль, формирование зерен начинается примерно через 10 дней, сначала в более холодных внешних слоях выброса, — пишут авторы. — К 20-му дню формирование пыли в значительной степени насыщается во внутренних областях».
Если астрономы будут наблюдать килоновую в этот временной промежуток, они должны увидеть переход спектра от резких атомных эмиссионных линий (на ранней стадии) к гладкому тепловому свечению от пыли (на поздней). Это похоже на хорошо известную картину, которую наблюдают в обычных сверхновых.
Модель также предсказывает, что пыль лучше всего формируется в более медленных компонентах выброса. Поскольку разные слияния нейтронных звезд имеют разную массу, скорость и состав, ученые ожидают реального разнообразия в поведении килоновых на поздних стадиях: некоторые будут демонстрировать пылевые сигнатуры, а другие — нет.
«Будущие оптические и инфракрасные наблюдения позволят напрямую проверить этот сценарий — как через спектроскопию с временным разрешением в эпоху формирования пыли, так и через изучение разнообразия позднего инфракрасного излучения килоновых», — заключают авторы.
Исследователи отмечают, что эта экзотическая пыль может стать мощным новым инструментом для изучения того, как слияния нейтронных звезд и другие астрофизические события — такие как коллапсары, необычные сверхновые и коллапс белых карликов в нейтронные звезды — создают самые тяжелые элементы во Вселенной.
Ранее Наука Mail рассказывала, насколько тяжелыми могут быть нейтронные звезды.