Нейтронные звезды слияние гравитационные волны. Гравитационные волны от слияния нейтронных звезд. Почему это важно? Откуда во Вселенной берутся золото и другие тяжелые элементы
Сегодня на пресс-конференции в Вашингтоне учёные официально объявили о регистрации астрономического события, которое никто не регистрировал раньше — слияния двух нейтронных звёзд. По результатам наблюдения было опубликовано более 30 научных статей в пяти журналах, поэтому рассказать сразу обо всём мы не можем. Вот краткое изложение и самые главные открытия.
Астрономы наблюдали слияние двух нейтронных звёзд и рождение новой чёрной дыры.
Нейтронные звёзды — объекты, которые появляются в результате взрывов больших и массивных (в несколько раз тяжелее Солнца) звёзд. Их размеры невелики (в диаметре они обычно не больше 20 километров), зато плотность и масса огромны.
В результате слияния двух нейтронных звёзд в 130 миллионах световых лет от Земли образовалась черная дыра — объект еще более массивный и плотный, чем нейтронная звезда. Слияние звёзд и образование чёрной дыры сопровождалось выделением огромной энергии в форме гравитационного, гамма- и оптического излучения. Все три вида излучения зафиксировали земные и орбитальные телескопы. Гравитационную волну зарегистрировали обсерватории LIGO и VIRGO.
Эта гравитационная волна была самой высокоэнергетической из всех, наблюдавшихся до сих пор.
Все виды излучения дошли до Земли 17 августа. Сначала наземные лазерные интерферометры LIGO и Virgo зарегистрировали периодическое сжатие и расширение пространства-времени — гравитационную волну, несколько раз обогнувшую земной шар. Событие, породившее гравиволну, получило название GRB170817A. Через несколько секунд гамма-телескоп NASA «Ферми» зарегистрировал фотоны высокой энергии в гамма-диапазоне.
В этот день в одну точку пространства смотрели большие и маленькие, наземные и орбитальные телескопы, работающие во всех диапазонах.
По результатам наблюдений в Калифорнийском университете (Беркли) сделали компьютерную симуляцию слияния нейтронных звёзд. Обе звезды были, по всей видимости, массой немногим больше Солнца (но при этом гораздо меньшего радиуса). Эти два шара невероятной плотности кружились друг вокруг друга, постоянно ускоряясь. Вот как это было:
В результате слияния нейтронных звёзд в космическое пространство попали атомы тяжёлых элементов — золота, урана, платины; астрономы полагают, что такие события — это главный источник этих элементов во Вселенной. Оптические телескопы сначала «увидели» синий видимый свет, а затем ультрафиолетовое излучение, которое сменилось красным светом и излучением в инфракрасном диапазоне.
Эта последовательность совпадает с теоретическими предсказаниями. Согласно теории, сталкиваясь, нейтронные звёзды теряют часть вещества — оно распыляется вокруг места столкновения огромным облаком нейтронов и протонов. Когда начинает формироваться черная дыра, вокруг нее образуется аккреционный диск, в котором частицы вращаются с огромной скоростью — настолько огромной, что некоторые преодолевают притяжение чёрной дыры и разлетаются прочь.
Такая судьба ожидает примерно 2% вещества столкнувшихся звёзд. Это вещество образует вокруг чёрной дыры облако диаметром в десятки тысяч километров и плотностью, примерно равной плотности Солнца. Протоны и нейтроны, из которых состояит это облако, слипаются, образуя атомные ядра. Затем начинается распад этих ядер. Излучение распадающихся ядер земные астрономы наблюдали в течение нескольких дней. За миллионы лет, прошедшие со времени события GRB170817A, это излучение наполнило всю галактику.
17 августа 2017 года лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO и франко-итальянский детектор гравитационных волн VIRGO впервые зафиксировали гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Примерно через две секунды после этого космический гамма-телескоп NASA «Fermi» и астрофизическая гамма-лаборатория ESA «INTEGRAL» наблюдали короткий гамма-всплеск GRB170817A в той же области неба.
«Ученому редко выпадает случай стать свидетелем начала новой эры в науке. Это – один из таких случаев!» – сказала Елена Пиан из Астрофизического института Италии, автор одной из публикуемых в Nature статей.
Что такое гравитационные волны?
Гравитационные волны, создающиеся движущимися массами, являются маркерами самых жестоких событий во Вселенной и возникают при столкновении плотных объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды.
Их существование было предсказано еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном в Общей Теории Относительности. Однако, зафиксировать гравитационные волны удалось только спустя сто лет, поскольку только самые мощные из этих волн, обусловленные быстрыми изменениями скорости очень массивных объектов, могут быть зарегистрированы современными приемниками.
До сегодняшнего дня было поймано 4 сигнала гравитационных волн: трижды LIGO в одиночку фиксировал «рябь» пространства-времени, а 14 сентября 2017 года впервые гравитационные волны были пойманы сразу тремя детекторами (двумя детекторами LIGO в США и одним детектор VIRGO в Европе).
У четырех предыдущих событий есть одно общее – все они вызваны слиянием пар черных дыр, вследствие чего увидеть их источник невозможно. Теперь все изменилось.
Как обсерватории по всему миру «ловили» источник гравитационных волн
Совместная работа LIGO и VIRGO позволила позиционировать источник гравитационных волн в пределах обширного участка южного неба размером в несколько сотен дисков полной Луны, содержащего миллионы звезд. Более 70 обсерваторий по всему миру, а также космический телескоп NASA «Hubble» принялись наблюдать этот район неба в поисках новых источников излучения.
Первое сообщение об обнаружении нового источника света поступило спустя 11 часов с метрового телескопа «Swope». Оказалось, что объект находился очень близко к линзовидной галактике NGC 4993 в созвездии Гидры. Почти в то же время тот же источник был зарегистрирован телескопом Европейской южной обсерватории ESO «VISTA» в инфракрасных лучах. По мере того, как ночь продвигалась по земному шару на запад, объект наблюдался на Гавайских островах телескопами «Pan-STARRS» и «Subaru», причем была отмечена его быстрая эволюция.
Вспышка от столкновения двух нейтронных звезд в галактике NGC 4993 хорошо видна на снимке космического телескопа «Hubble». Наблюдения, проведенные с 22 по 28 августа 2017 года, показывают, как она постепенно исчезала. Credit: NASA/ESA
Оценки расстояния до объекта, полученные как из гравитационно-волновых данных, так и из других наблюдений, дали согласующиеся результаты: GW170817 находится на том же расстоянии от Земли, что и галактика NGC 4993, то есть в 130 миллионах световых лет. Таким образом, это ближайший к нам из всех обнаруженных источников гравитационных волн и один из ближайших когда-либо наблюдавшихся источников гамма-всплесков.
Загадочная килоновая
После того, как массивная звезда взрывается в виде сверхновой, на ее месте остается сверхплотное сколлапсировавшее ядро: нейтронная звезда. Слияниями нейтронных звезд в основном объясняются и короткие гамма-всплески. Считается, что это событие сопровождается взрывом в тысячу раз более ярким, чем типичная новая – так называемой килоновой.
Художественное представление столкновения двух нейтронных звезд в галактике NGC 4993, породившего вспышку килоновой и гравитационные волны. Credit: ESO/L. Calgada/M. Kornmesser
«Это ни на что не похоже! Объект очень быстро стал невероятно ярким, а затем начал стремительно исчезать, переходя от синего цвета к красному. Это невероятно!» – рассказывает Райан Фоули из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (США).
Почти одновременная регистрация гравитационных волн и гамма-лучей от GW170817 породила надежду на то, что это и есть давно разыскиваемая килоновая. Подробные наблюдения на инструментах ESO и космическом телескопе «Hubble» действительно обнаружили у этого объекта свойства очень близкие к теоретическим предсказаниям, сделанным более 30 лет назад. Таким образом, получено первое наблюдательное подтверждение существования килоновых.
Пока неясно, какой объект породило слияние двух нейтронных звезд: черную дыру или новую нейтронную звезду. Дальнейший анализ данных должен ответить на этот вопрос.
В результате слияния двух нейтронных звезд и взрыва килоновой происходит выброс радиоактивных тяжелых химических элементов, разлетающихся со скоростью в одну пятую скорости света. В течение нескольких дней – быстрее, чем при любом другом звездном взрыве – цвет килоновой меняется от ярко-голубого к очень красному.
«Данные, которые мы получили, великолепно согласуются с теорией. Это триумф теоретиков, подтверждение абсолютной реальности событий, зарегистрированных установками LIGO и VIRGO, и замечательное достижение ESO, которой удалось получить наблюдения килоновой», – рассказывает Стефано Ковино из Астрофизического института Италии, автор одной из публикуемых в Nature Astronomy статей.
Некоторые из элементов, выбрасываемые в космос при слиянии двух нейтронных звезд. Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Спектры, полученные инструментами на Очень большом телескопе ESO показывают присутствие цезия и теллура, выброшенных в пространство при слиянии нейтронных звезд. Эти и другие тяжелые элементы рассеиваются в космосе после взрывов килоновых. Таким образом, наблюдения указывают на формирование элементов тяжелее железа при ядерных реакциях в недрах сверхплотных звездных объектов. Этот процесс, называемый r-нуклеосинтезом, раньше был известен только в теории.
Важность открытия
Открытие ознаменовало рассвет новой эры в космологии: теперь мы можем не только слушать, но и видеть события, порождающие гравитационные волны! В краткосрочной перспективе анализ новых данных позволит ученым получить более точное представление о нейтронных звездах, а в будущем наблюдения подобных событий помогут объяснить продолжающееся расширение Вселенной, состав темной энергии, а также происхождение самых тяжелых элементов в космосе.
Исследования, описывающие открытие, представлены серией статей в журналах Nature , Nature Astronomy и Astrophysical Journal Letters .
До того как мы наблюдали это событие, у нас было два способа оценки частоты слияний нейтронных дыр: измерения двойных нейтронных звезд в нашей галактике (как от пульсаров) и наши теоретические модели образования звезд, сверхновых и их останков. Все это дает нам оценку - порядка 100 таких слияний происходит ежегодно в пределах кубического гигапарсека космоса.
Наблюдение нового события обеспечило нам первую наблюдаемую оценку частоты сияний, и она в десять раз больше ожидаемого. Мы думали, что нам понадобится LIGO, достигшая предела чувствительность (сейчас она на полпути), чтобы увидеть хоть что-то, а затем еще и три дополнительных детектора для точного определения места. А нам удалось не только рано увидеть его, но и локализовать с первой же попытки. Итак, вопрос: нам просто повезло увидеть это событие или же частота таковых действительно намного выше, чем мы думали? Если выше, в чем тогда ошибочны наши теоретические модели? В следующем году LIGO уйдет на модернизацию, и у теоретиков будет немного времени пораскинуть мозгами.
Что заставляет вещество выбрасываться в процессе слияния в таком количестве?
Наши лучшие теоретические модели предсказывали, что слияния звезд вроде этого будет сопровождаться ярким световым сигналом в ультрафиолетовой и оптической частях спектра в течение дня, а затем будет тускнеть и исчезать. Но вместо этого сияние продержалось два дня, прежде чем начало тускнеть, и у нас, конечно, появились вопросы. Яркое свечение, которое продержалось так долго, свидетельствует о том, что ветра в диске вокруг звезд выбросили 30-40 масс Юпитера в виде вещества. По нашим данным, вещества должно было быть меньше вдвое или даже в восемь раз.
Что же такого необычного в этих выбросах? Чтобы смоделировать такое слияние, нужно включить много разной физики:
- гидродинамику
- магнитные поля
- уравнение состояния материи при ядерных плотностях
- взаимодействия с нейтрино
…и многое другое. Различные коды моделируют эти компоненты с разными уровнями сложности, и мы не знаем наверняка, какой из компонентов несет ответственность за эти ветры и выбросы. Найти нужный - проблема для теоретиков, и нам приходится мириться с тем, что мы впервые измерили слияние нейтронных звезд… и получили сюрприз.
В последние моменты слияния две нейтронных звезды не только испускают , но и катастрофический взрыв, который эхом прокатывается по всему электромагнитному спектру. И если продуктом будет нейтронная звезда, черная дыра или нечто экзотическое среднее, переходное состояние нам пока неизвестно
Произвело ли это слияние сверхмассивную нейтронную звезду?
Чтобы получить достаточно потерянной массы от слияния нейтронных звезд, нужно, чтобы продукт этого слияния сгенерировал достаточно энергии соответствующего типа, чтобы сдуть эту массу с окружающего звезды диска. Основываясь на наблюдаемом гравитационно-волновом сигнале, мы можем сказать, что это слияние создало объект массой 2,74 солнечных, что значительно превышает максимум солнечной массы, который может быть у невращающейся нейтронной звезды. То есть, если ядерная материя ведет себя так, как от нее ожидаем, слияние двух нейтронных звезд должно было привести к появлению черной дыры.
Нейтронная звезда - одно из самых плотных собраний вещества во Вселенной, однако у ее массы есть верхний предел. Превысьте его - и нейтронная звезда снова коллапсирует с образованием черной дыры
Если бы ядро этого объекта после слияния немедленно сжалось до черной дыры, никакого выброса бы не было. Если бы вместо этого оно стало сверхмассивной нейтронной звездой, то должно было бы вращаться чрезвычайно быстро, поскольку большой угловой момент увеличил бы максимальный предел массы на 10-15%. Проблема в том, что если бы мы получили так быстро вращающуюся сверхмассивную нейтронную звезду, она должна была бы стать магнетаром с чрезвычайно мощным магнитным полем, в квадриллион раз более мощным, чем поля на поверхности Земли. Но магнетары быстро перестают вращаться и должны коллапсировать в черную дыру через 50 миллисекунд; наши же наблюдения за магнитными полями, вязкостью и нагревом, которые выбросили массу, показывают, что объект существовал сотни миллисекунд.
Что-то здесь не так. Либо у нас быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая по какой-то причине не является магнетаром, либо у нас будут выбросы на сотни миллисекунд, и наша физика не дает нам ответ. При этом, пусть даже ненадолго, скорее всего, у нас была сверхмассивная нейтронная звезда, а за ней и черная дыра. Если оба варианта верны, мы имеем дело с самой массивной нейтронной звездой и самой маломассивной черной дырой за всю историю наблюдений!
Если эти нейтронные звезды были бы более массивными, было бы слияние невидимым?
Существует предел тому, насколько массивными могут быть нейтронные звезды, и если добавлять и добавлять массы, получится аккурат черная дыра. Этот предел в 2,5 солнечных масс для невращающихся нейтронных звезд означает, что если общая масса слияния будет ниже, вы почти наверняка останетесь с нейтронной звездой после слияния, что приведет к сильным и долгим ультрафиолетовым и оптическим сигналам, которые мы видели в данном случае. С другой стороны, если подняться выше 2,9 солнечных масс, сразу после слияния сформируется черная дыра, вполне вероятно - без ультрафиолетовых и оптических сопровождений.
Так или иначе, наше самое первое слияние нейтронных звезд оказалось именно в середине этого диапазона, когда может появиться сверхмассивная нейтронная звезда, создающая выбросы и оптические и ультрафиолетовые сигналы на протяжении короткого времени. Образуются ли магнетары при менее массивных слияниях? А более массивные - сразу приходят к черным дырам и остаются невидимыми на этих длинах волн? Насколько редкие или распространенные три этих категории слияния: обычные нейтронные звезды, сверхмассивные нейтронные звезды и черные дыры? Через год LIGO и Virgo займутся поисками ответов на эти вопросы, а у теоретиков будет как раз год, чтобы привести свои модели в соответствие с прогнозами.
Что приводит к тому, что гамма-лучевые всплески такие яркие во многих направлениях, а не в конусе?
Этот вопрос весьма сложный. С одной стороны, открытие подтвердило то, что давно подозревали, но никак не могли доказать: что сливающиеся нейтронные звезды действительно производят гамма-лучевые всплески. Но мы всегда считали, что гамма-лучевые всплески испускают гамма-лучи только в узкой конусообразной форме, 10-15 градусов в диаметре. Теперь же мы знаем, из положения слияния и величины гравитационных волн, что гамма-лучевые всплески уходят на 30 градусов от нашей линии визирования, но мы при этом наблюдаем мощный гамма-лучевой сигнал.
Природа гамма-лучевых всплесков должна измениться. Задача теоретиков состоит в том, чтобы объяснить, почему физика этих объектов настолько отличается от предсказанной нашими моделями.
Отдельной строкой: насколько непрозрачны/прозрачны тяжелые элементы?
Когда дело доходит до самых тяжелых элементов в периодической таблице, мы знаем, что они произведены по большей части не сверхновыми, а именно слияниями черных дыр. Но чтобы получить спектры тяжелых элементов с расстояния в 100 миллионов световых лет, нужно понимать их прозрачность. Сюда входит понимание атомных физических переходов электронов на орбиталях атома в астрономической обстановке. Впервые у нас есть среда для проверки того, как астрономия пересекается с атомной физикой, и последующие наблюдения слияний должны позволить нам ответить на вопрос о непрозрачности и прозрачности в том числе.
Вполне возможно, что слияние нейтронных звезд происходит постоянно, а когда LIGO достигнет запланированного уровня чувствительности, мы будем находить десятки слияний в год. Также возможно, что это событие было крайне редким и нам повезет видеть лишь по одному за год даже после обновления установок. Следующие десять лет физики-теоретики потратят на поиск ответов на выше описанные вопросы.
Будущее астрономии лежит перед нами. Гравитационные волны - это новый, совершенно независимый способ исследования неба, и сопоставляя небо с гравитационными волнами с традиционными астрономическими картами, мы готовы ответить на вопросы, которые не осмеливались задать еще неделю назад.
Российские ученые в составе коллабораций LIGO и Virgo впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд. Это первое космическое событие, наблюдаемое как в гравитационных, так и в электромагнитных волнах. Открытие представлено сегодня на пресс-конференциях в Вашингтоне и Москве. Результаты также будут опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Спустя две недели после присуждения Нобелевской премии по физике за открытие гравитационных волн троим исследователям из США, коллаборации LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, США) и Virgo (аналогичная обсерватория в Италии) объявили о том, что впервые зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд, причем это явление наблюдали на лазерных интерферометрах, регистрирующих гравитационные волны, с помощью космических обсерваторий («Интеграл», Fermi) и наземных телескопов, регистрирующих электромагнитное излучение. В сумме это явление наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий по всему миру, в числе которых сеть роботов-телескопов МАСТЕР (МГУ имени М.В. Ломоносова).
«Первая прямая регистрация гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр обсерваторией LIGO состоялась около двух лет тому назад. Было открыто новое окно во Вселенную. Уже сегодня мы видим, какие беспрецедентные возможности создает для исследователей этот новый канал получения информации в сочетании с традиционной астрономией», - говорит профессор физического факультета МГУ Валерий Митрофанов.
17 августа оба детектора LIGO зарегистрировали гравитационный сигнал, названный GW170817. Информация, предоставленная третьим детектором Virgo, позволила значительно улучшить локализацию космического события. Почти в то же время (примерно через две секунды после гравитационных волн) космический гамма-телескоп NASA Fermi и Международная орбитальная обсерватория гамма-лучей (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL) «Интеграл» обнаружили всплески гамма-лучей. В последующие дни было зарегистрировано электромагнитное излучение и в других диапазонах, включая рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радиоволны.
Сигналы детекторов LIGO показали, что зарегистрированные гравитационные волны излучались двумя астрофизическими объектами, вращающимися друг относительно друга и расположенными на относительно близком расстоянии, около 130 миллионов световых лет, от Земли. Оказалось, что объекты были менее массивными, чем ранее обнаруженные LIGO и Virgo двойные черные дыры. Согласно вычислениям, их массы находились в диапазоне от 1,1 до 1,6 массы Солнца, что попадает в область масс нейтронных звезд, самых маленьких и самых плотных среди звезд. Их типичный радиус составляет всего 10-20 километров.
Получив координаты, обсерватории уже через несколько часов смогли начать поиск в области неба, где предположительно произошло событие. Новую светлую точку, напоминающую новую звезду, обнаружили оптические телескопы. В конечном итоге около 70 обсерваторий на Земле и в космосе наблюдали это событие в различных диапазонах длин волн. В последующие дни после столкновения было зарегистрировано электромагнитное излучение в рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом, инфракрасном и радиоволновом диапазонах.
«Впервые, в отличие от "одиноких" слияний черных дыр, зарегистрировано "компанейское" событие не только гравитационными детекторами, но еще и оптическими и нейтринными телескопами. Это первый такой хоровод наблюдений вокруг одного события», - рассказал профессор физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Сергей Вятчанин.
Теоретики предсказали, что в результате слияния образуется «килоновая». Это явление, при котором оставшийся от столкновения нейтронных звезд материал ярко светится и выбрасывается из области столкновения далеко в космос. При этом возникают процессы, в результате которых создаются тяжелые элементы, такие как свинец и золото. Наблюдение послесвечения слияния нейтронных звезд позволяет получать дополнительную информацию о различных стадиях этого слияния, о взаимодействии образовавшегося объекта с окружающей средой и о процессах, которые производят самые тяжелые элементы во Вселенной.
«В процессе слияния зафиксировано образование тяжелых элементов. Поэтому можно говорить даже о галактической фабрике по производству тяжелых элементов, в том числе золота, ведь именно этот металл больше всего интересует землян. Ученые начинают предлагать модели, которые объяснили бы наблюдаемые параметры этого слияния», - отметил Вятчанин.
16 октября астрономы сообщили, что 17 августа впервые в истории зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд . Наблюдениями занимались 70 групп ученых, а соавторами одной из статей, посвященных этому событию, стали 4600 астрономов - больше трети всех астрономов мира. Сайт N+1 в большой статье рассказал, почему это важное открытие и на какие вопросы оно поможет ответить.
Как все произошло?
17 августа 2017 года, в 15:41:04 по московскому времени детектор обсерватории LIGO в Хенфорде (Вашингтон) услышал рекордно длинную гравитационную волну - сигнал продолжался около ста секунд. Это очень большой промежуток времени - для сравнения, предыдущие четыре фиксации гравитационных волн длились не дольше трех секунд. Сработала автоматическая программа оповещения. Астрономы проверили данные: оказалось, что второй детектор LIGO (в Луизиане) тоже зафиксировал волну, но автоматический триггер не сработал из-за краткосрочных шумов.
На 1,7 секунды позже детектора в Хенфорде, независимо от него, сработала автоматическая система телескопов «Ферми» и «Интеграл» - космических гамма-обсерваторий, наблюдающих одни из самых высокоэнергетических событий во Вселенной. Приборы обнаружили яркую вспышку и примерно определили ее координаты. В отличие от гравитационного сигнала, вспышка длилась всего две секунды. Интересно, что российско-европейский «Интеграл» заметил гамма-всплеск «боковым зрением» - «защитными кристаллами» основного детектора. Тем не менее, это не помешало триангуляции сигнала.
Примерно через час LIGO разослал сведения о возможных координатах источника гравитационных волн - установить эту область удалось благодаря тому, что сигнал заметил и детектор Virgo. По задержкам, с которыми детекторы начали получать сигнал, стало ясно, что, вероятнее всего, источник находится в южном полушарии: сперва сигнал достиг Virgo и лишь затем, спустя 22 миллисекунды, был зафиксирован обсерваторией LIGO. Изначальная область, рекомендуемая для поиска, достигала 28 квадратных градусов, что эквивалентно сотням площадей Луны.
Следующим этапом было объединение данных гамма- и гравитационных обсерваторий воедино и поиск точного источника излучения. Так как ни гамма-телескопы, ни тем более гравитационные не позволяли найти требуемую точку с большой точностью, физики инициировали сразу несколько оптических поисков. Один из них - с помощью роботизированной системы телескопов «МАСТЕР», разработанной в ГАИШ МГУ.
Наблюдение за килоновой Европейской южной обсерватории
European Southern Observatory (ESO)
Обнаружить среди тысяч возможных кандидатов нужную вспышку удалось чилийскому метровому телескопу Swope - почти через 11 часов после гравитационных волн. Астрономы зафиксировали новую светящуюся точку в галактике NGC 4993 в созвездии Гидры, ее яркость не превышала 17 звездной величины. Такой объект вполне доступен для наблюдения в полупрофессиональные телескопы.
В течение примерно часа после этого, независимо от Swope, источник нашли еще четыре обсерватории, в том числе аргентинский телескоп сети «МАСТЕР». После этого началась масштабная наблюдательная кампания, к которой присоединились телескопы Южной европейской обсерватории, «Хаббл», «Чандра», массив радиотелескопов VLA и множество других приборов - в сумме более 70 групп ученых наблюдали за развитием событий. Через девять дней астрономам удалось получить изображение в рентгеновском диапазоне, а через 16 дней - в радиочастотном. К сожалению, через некоторое время Солнце приблизилось к галактике и в сентябре наблюдения стали невозможными.
Что стало причиной взрыва?
Такая характерная картина взрыва во многих электромагнитных диапазонах была предсказана и описана уже давно. Она соответствует столкновению двух нейтронных звезд - ультракомпактных объектов, состоящих из нейтронной материи.
По словам ученых, масса нейтронных звезд составляла 1,1 и 1,6 массы Солнца (сравнительно точно определена суммарная масса - около 2,7 массы Солнца). Первые гравитационные волны возникли, когда расстояние между объектами составляло 300 километров.
Большой неожиданностью стало небольшое расстояние от этой системы до Земли - около 130 миллионов световых лет. Для сравнения, это всего в 50 раз дальше, чем от Земли до Туманности Андромеды, и почти на порядок меньше, чем расстояние от нашей планеты до черных дыр, столкновение которых фиксировали ранее LIGO и Virgo. Кроме того, столкновение стало самым близким к Земле источником короткого гамма-всплеска.
Двойные нейтронные звезды известны с 1974 года - одну из таких систем открыли нобелевские лауреаты Рассел Халс и Джозеф Тейлор. Однако до сих пор все известные двойные нейтронные звезды находились в нашей Галактике, а стабильность их орбит была достаточной, чтобы они не столкнулись в течение ближайших миллионов лет. Новая пара звезд сблизилась настолько, что началось взаимодействие и стал развиваться процесс переноса вещества
Столкновение двух нейтронных звезд. Анимация Nasa
Событие получило название килоновой. Дословно это означает, что яркость вспышки была примерно в тысячу раз мощнее, чем типичные вспышки новых звезд - двойных систем, в которых компактный компаньон перетягивает на себя материю.
Что все это значит?
Полный спектр собранных данных уже позволяет ученым называть событие краеугольным камнем будущей гравитационно-волновой астрономии. По результатам обработки данных за два месяца было написано около 30 статей в крупных журналах: по семь в Nature и Science , а также работы в Astrophysical Journal Letters и других научных изданиях. Соавторами одной из этих статей являются 4600 астрономов из различных коллабораций - это больше трети всех астрономов мира.
Вот ключевые вопросы, к ответам на которые ученым впервые удалось подойти по-настоящему.
Что запускает короткие гамма-всплески?
Гамма-всплески - это одни из самых высокоэнергетических явлений во Вселенной. Мощность одного такого всплеска достаточна, чтобы за секунды выбросить в окружающее пространство столько же энергии, сколько Солнце генерирует за 10 миллионов лет. Различают короткие и длинные гамма-всплески; при этом считается, что это различные по своему механизму явления. К примеру, источником длинных всплесков считаются коллапсы массивных звезд.
Источниками коротких гамма-всплесков предположительно являются слияния нейтронных звезд. Однако до сих пор прямых подтверждений этому не было. Новые наблюдения - самое веское на сегодняшний день доказательство существования этого механизма.
Откуда во Вселенной берутся золото и другие тяжелые элементы?
Нуклеосинтез - слияние ядер в звездах - позволяет получить огромный спектр химических элементов. Для легких ядер реакции слияния протекают с выделением энергии и в целом энергетически выгодны. Для элементов, чья масса близка к массе железа, энергетический выигрыш оказывается уже не настолько большим. Из-за этого в звездах почти не образуются элементы тяжелее железа - исключением являются взрывы сверхновых. Но их совершенно недостаточно, чтобы объяснить распространенность золота, лантанидов, урана и других тяжелых элементов во Вселенной.
В 1989 году физики предположили, что за это может отвечать r-нуклеосинтез в слияниях нейтронных звезд. Подробнее об этом можно прочитать в блоге астрофизика Марата Мусина. До сегодняшнего дня этот процесс был известен лишь в теории.
Спектральные исследования нового события показали отчетливые следы рождения тяжелых элементов. Так, благодаря спектрометрам Очень большого телескопа (VLT) и «Хаббла» астрономы обнаружили присутствие цезия, теллура, золота и платины. Также есть свидетельства образования ксенона, иода и сурьмы. По оценкам физиков, в результате столкновения была выброшена общая масса легких и тяжелых элементов, эквивалентная 40 массам Юпитера. Одного лишь золота, согласно теоретическим моделям, образуется около 10 масс Луны.
Чему равна константа Хаббла?
Оценить экспериментально скорость расширения Вселенной можно с помощью специальных «стандартных свечей». Это объекты, для которых известна абсолютная яркость, а значит, по соотношению между абсолютной и видимой яркостью можно сделать вывод о том, как далеко они находятся. Скорость расширения на данном расстоянии от наблюдателя определяется по доплеровскому смещению, например, линий водорода. Роль «стандартных свечей» играют, например, сверхновые Ia типа («взрывы» белых карликов) - кстати, именно на их выборке было доказано расширение Вселенной.
Наблюдение за слиянием двух нейтронных звезд с телескопа в Паранальской обсерватории (Чили)European Southern Observatory (ESO)
Константа Хаббла задает линейную зависимость скорости расширения Вселенной на данном расстоянии. Каждое независимое определение ее значения позволяет нам убедиться в справедливости принятой космологии.
Источники гравитационных волн тоже являются «стандартными свечами» (или, как их называют в статье, «сиренами»). По характеру гравитационных волн, которые они создают, можно независимо определить расстояние до них. Именно этим воспользовались астрономы в одной из новых работ. Результат совпал с другими независимыми измерениями - на основе реликтового излучения и наблюдения за гравитационно-линзированными объектами. Константа примерно равна 62–82 километрам в секунду на мегапарсек. Это означает, что две галактики, удаленные на 3,2 миллиона световых лет, в среднем разбегаются со скоростью 70 километров в секунду. Новые слияния нейтронных звезд помогут увеличить точность этой оценки.
Как устроена гравитация?
Общепринятая на сегодняшний день общая теория относительности в точности предсказывает поведение гравитационных волн. Однако квантовая теория гравитации до сих пор не разработана. Есть несколько гипотез о том, как она может быть устроена - это теоретические конструкции с большим количеством неизвестных параметров. Одновременное наблюдение электромагнитного излучения и гравитационных волн позволит уточнить и сузить границы для этих параметров, а также отбросить некоторые гипотезы.
К примеру, тот факт, что гравитационные волны пришли за 1,7 секунды до гамма-квантов, подтверждает то, что они и правда распространяются со скоростью света. Кроме того, сама величина задержки может быть использована для проверки принципа эквивалентности, лежащего в основе ОТО.
Как устроены нейтронные звезды?
Мы знаем строение нейтронных звезд лишь в общих чертах. У них имеются кора из тяжелых элементов и нейтронное ядро - но, к примеру, нам до сих пор не известно уравнение состояния нейтронной материи в ядре. А от этого зависит, например, ответ на такой простой вопрос: что именно образовалось при столкновении, которое наблюдали астрономы?
Визуализация гравитационных волн от слияния двух нейтронных звезд
Как и у белых карликов, у нейтронных звезд есть понятие критической массы, при превышении которой может начаться коллапс. В зависимости от того, превзошла ли масса нового объекта критическую или нет, есть несколько сценариев дальнейшего развития событий. Если суммарная масса окажется слишком большой, то объект сразу коллапсирует в черную дыру. Если масса немного меньше, то может возникнуть неравновесная быстровращающаяся нейтронная звезда, которая тоже, впрочем, со временем коллапсирует в черную дыру. Альтернативный вариант - образование магнетара, быстровращающейся нейтронной дыры с огромным магнитным полем. По всей видимости, магнетар в столкновении не образовался - сопутствующее ему жесткое рентгеновское излучение зафиксировано не было.
По словам Владимира Липунова, руководителя сети «МАСТЕР», имеющихся сейчас данных недостаточно, чтобы выяснить, что же именно образовалось в результате слияния. Однако у астрономов уже есть ряд теорий, которые будут опубликованы в ближайшие дни. Возможно, из будущих слияний нейтронных звезд удастся определить искомую критическую массу.
Владимир Королев , N+1