Результаты наблюдений могут в будущем пролить свет на загадку строения нейтронных звезд и образование тяжелых элементов во Вселенной
Художественное изображение гравитационных волн, порожденных слиянием двух нейтронных звезд
Изображение: R. Hurt/Caltech-JPL
Москва. 16 октября. сайт - Ученые впервые в истории зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд - сверхплотных объектов массой с наше Солнце и размером с Москву, сообщает сайт N+1.
Возникшие затем гамма-всплеск и вспышку килоновой наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий - они смогли увидеть предсказанный теоретиками процесс синтеза тяжелых элементов, в том числе золота и платины, и подтвердить правоту гипотез о природе загадочных коротких гамма-всплесков, сообщают пресс-служба коллаборации LIGO/Virgo, Европейской Южной обсерватории и обсерватории Лос-Кумбрес. Результаты наблюдений могут пролить свет на загадку строения нейтронных звезд и образование тяжелых элементов во Вселенной.
Гравитационные волны - волны колебаний геометрии пространства-времени, существование которых было предсказано общей теорией относительности. Впервые об их достоверном обнаружении коллаборация LIGO сообщила в феврале 2016 года - спустя 100 лет после предсказаний Эйнштейна.
Как сообщается, утром 17 августа 2017 года (в 8:41 по времени Восточного побережья США, когда в Москве было 15:41) автоматические системы на одном из двух детекторов гравитационно-волновой обсерватории LIGO зарегистрировали приход гравитационной волны из космоса. Сигнал получил обозначение GW170817, это был уже пятый случай фиксации гравитационных волн с 2015 года, с момента, когда они были впервые зарегистрированы. Всего за три дня до этого обсерватория LIGO впервые "услышала" гравитационную волну вместе с европейским проектом Virgo.
Однако в этот раз уже через две секунды после гравитационного события космический телескоп Fermi зафиксировал вспышку гамма-излучения на южном небе. Почти в этот же момент вспышку увидела европейско-российская космическая обсерватория INTEGRAL.
Автоматические системы анализа данных обсерватории LIGO пришли к выводу, что случайное совпадение этих двух событий крайне маловероятно. В ходе поиска дополнительной информации было обнаружено, что гравитационную волну увидел и второй детектор LIGO, а также европейская гравитационная обсерватория Virgo. Астрономы всего мира были подняты "по тревоге" - охоту на источник гравитационных волн и гамма-всплеска начали множество обсерваторий, в том числе Европейская Южная обсерватория и космический телескоп Hubble.
Задача была непростой - комбинированные данные LIGO/Virgo, Fermi и INTEGRAL позволили очертить область площадью в 35 квадратных градусов - это примерная площадь нескольких сотен лунных дисков. Только через 11 часов небольшой телескоп Swope с метровым зеркалом, находящейся в Чили, сделал первый снимок предполагаемого источника - он выглядел как очень яркая звезда рядом с эллиптической галактикой NGC 4993 в созвездии Гидры. В течение последующих пяти дней яркость источника упала в 20 раз, а цвет постепенно смещался от синего к красному. Все это время за объектом наблюдали множество телескопов в диапазонах от рентгеновского до инфракрасного, пока в сентябре галактика не оказалась слишком близко к Солнцу, и стала недоступна для наблюдений.
Ученые пришли к выводу, что источник вспышки находился в галактике NGC 4993 на расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли. Это невероятно близко, до сих пор гравитационные волны приходили к нам с расстояний в миллиарды световых лет. Благодаря этой близости мы и смогли их услышать. Источником волны было слияние двух объектов с массами в диапазоне от 1,1 до 1,6 масс Солнца - это могли быть только нейтронные звезды.
Локализация источника гравитационных волн в галактике NGC 4993
Сам всплеск "звучал" очень долго - около 100 секунд, давали всплески длительностью в доли секунды. Пара нейтронных звезд вращалась вокруг общего центра масс, постепенно теряя энергию в виде гравитационных волн и сближаясь. Когда расстояние между ними сократилось до 300 км, гравитационные волны стали достаточно мощными, чтобы попасть в зону чувствительности гравитационных детекторов LIGO/Virgo. Нейтронные звезды успели совершить 1,5 тысячи оборотов вокруг друг друга. В момент слияния двух нейтронных звезд в один компактный объект (нейтронную звезду или черную дыру) происходит мощная вспышка гамма-излучения.
Такие гамма-вспышки астрономы называют короткими гамма-всплесками, гамма-телескопы фиксируют их примерно раз в неделю. Короткий гамма-всплеск от слияния нейтронных звезд, о котором сообщается, длился 1,7 секунды.
Если природа длинных гамма-всплесков более понятна (их источники - вспышки сверхновых), то единства мнений насчет источников коротких всплесков не было. Существовала гипотеза, что их порождают слияния нейтронных звезд.
Теперь ученые смогли впервые подтвердить эту гипотезу, поскольку благодаря гравитационным волнам мы знаем массу слившихся компонентов, что доказывает что это именно нейтронные звезды.
"Десятилетия мы подозревали, что короткие гамма-всплески порождают слияния нейтронных звезд. Теперь, благодаря данным LIGO и Virgo об этом событии у нас есть ответ. Гравитационные волны говорят нам, что слившиеся объекты имели массы, соответствующие нейтронным звездам, а гамма-вспышка говорит, что эти объекты вряд ли могли быть черными дырами, поскольку столкновение черных дыр не должно порождать излучение", - говорит Джули МакЭнери, сотрудник проекта Fermi Центра космических полетов НАСА имени Годдарда.
Источник золота и платины
Кроме того, астрономы впервые получили однозначное подтверждение существования килоновых (или "макроновых") вспышек, которые примерно в 1 тыс. раз мощнее вспышек обычных новых. Теоретики предсказывали, что килоновые могут возникать при слиянии нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.
При этом запускается процесс синтеза тяжелых элементов, основанный на захвате ядрами нейтронов (r-процесс), в результате которого во Вселенной появились многие из тяжелых элементов, таких как золото, платина или уран.
По подсчетам ученых, при одном взрыве килоновой может возникнуть огромное количество золота - до десяти масс Луны. До сих пор лишь единожды наблюдалось событие, которое могло быть взрывом килоновой.
Теперь же астрономы смогли впервые наблюдать не только рождение килоновой, но и продукты ее "работы". Спектры, полученные при помощи телескопов Hubble и VLT (Very Large Telescope), показали наличие цезия, теллура, золота, платины и других тяжелых элементов, образованных при слиянии нейтронных звезд.
Через 11 часов после столкновения температура килоновой составляла 8 тыс. градусов, а скорость ее расширения достигла около 100 тыс. километров в секунду, отмечает N+1 со ссылкой на данные Государственного астрономического института имени Штернберга (ГАИШ).
В ESO сообщили, что наблюдение практически идеально совпало с прогнозом поведения двух нейтронных звезд при слиянии.
"Пока данные, которые мы получили, великолепно согласуются с теорией. Это триумф теоретиков, подтверждение абсолютной реальности событий, зарегистрированных обсерваториями LIGO и VIrgo, и замечательное достижение ESO, которой удалось получить такие наблюдения килоновой", - говорит Стефано Ковино, первый автор одной из статей в Nature Astronomy.
Так столкновение нейтронных звезд увидели астрономы
У ученых пока нет ответа на вопрос о том, что осталось после слияния нейтронных звезд - это может быть как черная дыра, так и новая нейтронная звезда, кроме того, не вполне ясно, почему гамма-всплеск оказался относительно слабым.
Правообладатель иллюстрации Getty Images Image caption Явление наблюдали с помощью космических обсерваторий и наземных телескопов
Ученым впервые удалось зарегистрировать гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд.
Волны были зафиксированы детекторами LIGO в США и итальянской обсерваторией Virgo.
По данным исследователей, в результате подобных слияний во Вселенной появляются такие элементы, как платина и золото.
Открытие было сделано еще 17 августа. Два детектора в США зарегистрировали гравитационный сигнал GW170817.
Данные с третьего детектора в Италии позволили уточнить локализацию космического события.
"Это то, чего мы все ждали", - заявил исполнительный директор лаборатории LIGO Дэвид Рейтце, комментируя открытие.
Слияние произошло в галактике NGC4993, которая находится на расстоянии около 130 млн световых лет от Земли в созвездии Гидры.
Массы звезд находились в диапазоне от 1,1 до 1,6 массы Солнца, что попадает в область масс нейтронных звезд. Их радиус - 10-20 км.
Звезды называют нейтронными, поскольку в процессе гравитационного сжатия протоны и электроны внутри звезды сливаются, в результате чего возникает объект, состоящий почти исключительно из нейтронов.
Такие объекты обладают невероятной плотностью - чайная ложка материи будет весить около миллиарда тонн.
Правообладатель иллюстрации NSF/LIGO/SONOMA STATE UNIVERSITY Image caption Слияние нейтронных звезд в представлении ученых выглядит примерно так (на фото - компьютерная модель)Лаборатория LIGO в городе Ливингстон в штате Луизиана - это маленькое здание, от которого под прямым углом отходят две трубы - плечи интерферометра. Внутри каждой из них - лазерный луч, фиксируя изменения в длине которого можно обнаружить гравитационные волны.
Детектор LIGO, установленный посреди обширных лесов, был создан для того, чтобы фиксировать гравитационные волны, которые порождают масштабные космические катаклизмы, такие как слияние нейтронных звезд.
Четыре года назад детектор модернизировали, с тех пор он четырежды засекал столкновения черных дыр.
Гравитационные волны, которые возникают в результате масштабных событий в космосе, приводят к возникновению временно-пространственных искривлений, чем-то похожих на рябь на воде.
Media playback is unsupported on your device
Открытие года: как звучит столкновение нейтронных звезд?Они растягивают и сжимают всю материю, через которую проходят, в почти незначительной степени - меньше, чем на ширину одного атома.
"Я в восторге от того что мы сделали. Впервые я начала работать над гравитационными волнами в Глазго, будучи еще студенткой. С тех пор прошло много лет, были и взлеты и падения, но теперь все сложилось", - говорит работница LIGO, профессор Норна Робертсон.
"За последние несколько лет мы сначала зафиксировали слияние "черных дыр", а потом - нейтронных звезд, по моим ощущениям, мы открываем новое поле для исследований", - добавляет она.
- Существование гравитационных волн было предсказано в рамках общей теории относительности Эйнштейна
- На то, чтобы развить технологию, которая позволила зафиксировать волны, ушли десятилетия
- Гравитационные волны - это искажения во времени и пространстве, которые возникают в результате масштабных событий в космосе
- Резко ускоряющаяся материя порождает гравитационные волны, которые распространяются со скоростью света
- В числе видимых источников волн называют слияния нейтронных звезд и "черных дыр"
- Исследование волн открывает принципиально новое поле для исследований
Ученые полагали, что высвобождение энергии в таком масштабе приводит к возникновению редких элементов - таких как золото и платина.
По словам доктора Кейт Магуайр из Королевского университета Белфаста, которая занималась анализом первых вспышек, возникших при слиянии, теперь эта теория доказана.
"С помощью самых мощных в мире телескопов мы обнаружили, что в результате этого слияния нейтронных звезд произошел высокоскоростной выброс тяжелых химических элементов, таких как золото и платина, в космос," - говорит Магуайр.
"Эти новые результаты помогли значительно продвинуться к разрешению давнего спора о том, откуда периодической таблице взялись элементы более тяжелые, чем железо", - добавляет она.
Новые рубежи
Наблюдение за столкновением нейтронных звезд также позволило подтвердить теорию о том, что оно сопровождается короткими выбросами гамма-излучения.
Сопоставив собранную информацию о возникших в результате столкновения гравитационных волнах с данными о световом излучении, собранными с помощью телескопов, ученые использовали ранее не применявшийся на практике способ измерить скорость расширения Вселенной.
Один из наиболее влиятельных физиков-теоретиков на планете, профессор Стивен Хокинг в беседе с Би-би-си назвал это "первой ступенькой на лестнице" к новому способу измерения расстояний во Вселенной.
"Новый способ наблюдения за Вселенной как правило ведет к сюрпризам, многие из которых невозможно предвидеть. Мы по-прежнему протираем глаза, а точнее, прочищаем уши после того как впервые услышали звук гравитационных волн," - сказал Хокинг.
Правообладатель иллюстрации NSF Image caption Комплекс обсерватории LIGO в Ливингстоне. От здания отходят "плечи" - трубы, внутри которых в вакууме проходят лазерные лучиСейчас оборудование комплекса LIGO модернизируют. Через год он станет в два раза более чувствительным, и сможет сканировать отрезок космоса, который в восемь раз больше нынешнего.
Ученые считают, что в будущем наблюдения за столкновением "черных дыр" и нейтронных звезд станут обычным явлением. Также они надеются научиться наблюдать за объектами, которые сегодня не могут даже представить, и начать новую эпоху в астрономии.
Сегодня на нескольких одновременных пресс-конференциях ученые из гравитационных обсерваторий LIGO и Virgo, а также из других научных учреждений мира сообщили, что в августе этого года им впервые удалось зарегистрировать гравитационные волны, порожденные слиянием двух нейтронных звезд. Ранее гравитационные волны отмечались физиками четырежды, но во всех случаях они были порождены слиянием двух черных дыр, а не нейтронных звезд.
© ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Более того, также впервые в истории событие, вызвавшее гравитационные волны, было отмечено не только гравитационными детекторами-интерферометрами, но и наблюдалось космическими и наземными телескопами в различных диапазонах (рентгеновском, ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и радиодиапазоне). Открытие не только позволит совершить следующий шаг в исследовании гравитационных волн и гравитации, но также даст значительный прогресс для изучения нейтронных звезд. В частности оно подтверждает гипотезу синтезе тяжелых элементов в процессе слияния нейтронных звезд и о природе гамма-всплесков. Открытие описывается в целом ряде статье, публикуемых в журнала Nature, Nature Astronomy, Physical Review Letters и Astrophysical Journal Letters.
Гравитационные волны порождает любой объект, обладающий массой и движущийся с неравномерным ускорением, но достаточно сильные волны, которые можно обнаружить при помощи устройств, сделанных человеком, рождаются в ходе взаимодействия объектов очень большой массы: черных дыр, компонентов двойных звезд, нейтронных звезд. Нынешняя волна, получившая обозначение GW170817, была зарегистрирована обоими детекторами гравитационной обсерватории LIGO в США и детектором Virgo в Италии 17 августа этого года.
Наличие трех детекторов, расположенных в разных точках Земли, позволяет ученым приблизительно определить положение источника волн. Спустя две секунды после того, как гравитационные обсерватории зафиксировали волну GW170817, в том районе, где должен располагаться ее источник была отмечена гамма-вспышка. Это сделали космические гамма-телескопы Fermi (Fermi Гамма-ray Space Telescope) и INTEGRAL (INTErnational Гамма Ray Astrophysics Laboratory),. После этого многие наземные и космические обсерватории начали искать возможный источник этих событий. Площадь района поиска, определенная по данным гравитационных обсерватории и гамма-телескопов была довольно велика, составляя около 35 квадратных градусов, на таком участке неба уместилось бы несколько сотен полных лунных дисков, а число звезд, расположенных на нем, составляет несколько миллионов. Но найти источник гравитационной волны и гамма-всплеска все-таки удалось.
Первым это сделал через одиннадцать часов после гамма-всплеска телескоп-рефлектор Swope, работающий в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. После этого сразу несколько крупных телескопов прервали утвержденные ранее программы своих наблюдений и переключились на наблюдение небольшой галактики NGC 4993 в созвездии Гидры, на расстоянии 40 парсек от Солнечной системы (около 130 миллионов световых лет). Это событие вызвало первые слухи об открытии, но официально ученые ничего не подтверждали вплоть до сегодняшних пресс-конференций.
Действительно, источником волн и гамма-излучения стала звезда, расположенная рядом с галактикой NGC 4993. За этой звездой в течение нескольких недель следили телескопы Pan-STARRS и Subaru на Гавайских островах, Очень Большой Телескоп Европйеской Южной обсерватории (VLT ESO), Телескоп Новой Технологии (NTT), VLT Survey Telescope (VST), 2,2-метровый телескоп MPG/ESO , решетка телескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) – всего в наблюдениях участвовали около семидесяти обсерваторий со всего мира, а также космический телескоп Хаббла. «Редко случается, чтобы ученому выпадало быть свидетелем начала новой эры в науке, – приводит пресс-релиз ESO слова астронома Елена Пиан (Elena Pian) из Астрофизического института Италии INAF. – Это – один из таких случаев!». Времени у астрономов было немного, так как галактика NGC 4993 была доступна для наблюдений только в вечернее время в августе, в сентябре она оказалась на небе слишком близко к Солнцу и стала ненаблюдаемой.
Наблюдавшаяся звезда первоначально была очень яркой, но за первые пять дней наблюдений ее яркость снизилась в двадцать раз. Расположена эта звезда на том же расстоянии от нас, что и галактика NGC 4993 – 130 миллионов световых лет. Это означает, что гравитационная волна GW170817 возникла на рекордно близком к нам расстоянии. Расчеты показали, что источником гравитационной волны стало слияние объектов, массы которых равны от 1,1 до 1,6 масс Солнца, а значит, это не могли быть черные дыры. Так нейтронные звезды стали единственным возможным объяснением.
Составное изображение NGC 4993
и килоновой по данным многих инструментов ESO
© ESO
Порождение гравитационных волн нейтронными звездами происходит по тому же сценарию, что и при слиянии черных дыр, только порождаемые нейтронными звездами волны слабее. Вращаясь вокруг общего центра тяжести в двойной системе, две нейтронные звезды теряют энергию, излучая гравитационные волны. Поэтому они постепенно сближаются, пока не сольются в одну нейтронную звезду (есть вероятность, что при слиянии может возникнуть и черная дыра). Слияние двух нейтронных звезд сопровождается вспышкой значительно большей яркости, чем обычная новая звезда. Астрономы предлагают для нее название «килоновая» . Часть массы двух звезд при слиянии преобразуется в энергию гравитационных волн, которые и были в этот раз замечены земными учеными.
Хотя килоновые звезды были предсказаны более 30 лет назад, нынешний случай – первое обнаружение подобной звезды. Ее характеристики, определенные в результате наблюдений, хорошо соответствуют сделанным ранее предсказаниям. 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 красному. «Когда на наших мониторах появился спектр объекта, я понял, что это самое необычное транзиентное явление, которое я когда-либо видел, – говорит Стивен Смартт (Stephen Smartt), выполнявший наблюдения на телескопе ESO NTT. – Я никогда не наблюдал ничего подобного. Наши данные, так же, как и данные других исследовательских групп, ясно показывают, что это была не сверхновая и не переменная звезда фона, а что-то совершенно необычное».
Спектры излучения звезды показывают присутствие цезия и теллура, выброшенных в пространство при слиянии нейтронных звезд. Это наблюдение подтвердила сформулированную ранее астрофизиками теорию r-нуклеосинтеза (r-процесс, быстрый процесс захвата нейтронов) в недрах сверхплотных звездных объектов. Химические элементы, образовавшиеся при слиянии нейтронных звезд, после взрыва килоновой рассеялись в космосе.
Подтвердилась и еще одна теория астрономов, согласно которой короткие гамма-всплески возникают при слиянии нейтронных звезд. Эта мысль высказывалась давно, но только объединение данных от гравитационных обсерваторий LIGO и Virgo с наблюдениями астрономов позволило окончательно убедиться в ее правильности.
«Пока что данные, которые мы получили, великолепно согласуются с теорией. Это триумф теоретиков, подтверждение абсолютной реальности событий, зарегистрированных установками LIGO–VIRGO, и замечательное достижение ESO, которой удалось получить такие наблюдения килоновой», – рассказывает астроном Стефано Ковино (Stefano Covino).
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.
Впервые в истории человечества астрономы зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд. Событие в галактике NGC 4993 «почуяли» 17 августа гравитационные обсерватории LIGO/Virgo. Вслед за ними к наблюдениям подключились и другие астрономические инструменты. В итоге за событием наблюдали 70 обсерваторий, и по данным наблюдений сегодня было опубликовано как минимум 20(!) научных статей.
Слухи о том, что детекторы LIGO/Virgo наконец зарегистрировали новое событие и это не очередное слияние черных дыр, поползли по социальным сетям уже 18 августа. Заявления именно о нем ждали в конце сентября, но тогда ученые ограничились лишь об очередном гравитационно-волновом событии с участием двух черных дыр - оно произошло в 1,8 миллиарда световых лет от Земли, в его наблюдении 14 августа впервые поучаствовали не только американские детекторы, но и европейский Virgo, который «включился» в охоту за колебаниями пространства-времени за две недели до этого.
New LIGO. Source with optical counterpart. Blow your sox off!
J Craig Wheeler (@ast309) August 18, 2017
После этого коллаборация свою заслуженную Нобелевскую премию по физике - за детекцию гравитационных волн и подтверждение правоты Эйнштейна, предсказавшего их существование, - и вот теперь поведала миру об открытии, которое приберегла «на сладкое».
Что именно произошло?
Нейтронные звезды - это очень, очень маленькие и очень плотные объекты, которые возникают обычно в результате вспышек сверхновых звезд. Типичный диаметр такой звезды 10-20 км, а масса сравнима с массой Солнца (диаметр которого в 100 000 000 раз больше), так что плотность вещества нейтронной звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра. На сегодняшний момент нам известно несколько тысяч таких объектов, но вот двойных систем - лишь полтора-два десятка.
Килоновая (по аналогии со «сверхновой»), гравитационный эффект которой зарегистрировали LIGO/Virgo 17 августа, находится в созвездии Гидра на расстоянии 130 миллионов световых лет от Земли. Она возникла в результате слияния двух нейтронных звезд массами в диапазоне от 1,1 до 1,6 масс Солнца. О том, насколько близко к нам оказалось это событие, говорит то, что в то время, как сигнал от сливающихся двойных черных дыр обычно находился в диапазоне чувствительности детекторов LIGO в течение долей секунды, сигнал, зарегистрированный 17 августа, длился около 100 секунд.
«Это не первая зарегистрированная килоновая, - сказал в беседе с корреспондентом „Чердака“ астрофизик Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга, - но их перечислить можно было даже не по пальцам одной руки, а чуть ли не по ушам. Их было буквально одна-две».
Почти в то же время, примерно через две секунды после гравитационных волн, космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» и Международная орбитальная обсерватория гамма-лучей (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL) зарегистрировали всплески гамма-лучей. В последующие дни ученые зарегистрировали электромагнитное излучение и в других диапазонах, включая рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радиоволны.
Получив координаты, несколько обсерваторий уже через несколько часов смогли начать поиск в области неба, где предположительно произошло событие. Новая светлая точка, напоминающая новую звезду, была обнаружена оптическими телескопами, и в итоге около 70 обсерваторий наблюдали это событие в различных диапазонах длин волн.
«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 Сергей Вятчанин, который входит в группу российских ученых, участвовавших в наблюдении за явлением под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова.
В момент столкновения основная часть двух нейтронных звезд слилась в один ультраплотный объект, испускающий гамма-лучи. Первые измерения гамма-излучения в сочетании с детектированием гравитационных волн подтверждают предсказание общей теории относительности Эйнштейна, а именно, что гравитационные волны распространяются со скоростью света.
«Во всех предыдущих случаях источником гравитационных волн были сливающиеся черные дыры. Как это ни парадоксально, черные дыры - это очень простые объекты, состоящие исключительно из искривленного пространства и поэтому полностью описывающиеся хорошо известными законами общей теории относительности. В то же время структура нейтронных звезд и, в частности, уравнение состояния нейтронной материи до сих пор точно неизвестны. Поэтому изучение сигналов от сливающихся нейтронных звезд позволит получить огромное количество новой информации также и о свойствах сверхплотной материи в экстремальных условиях», - сказал профессор физического факультета МГУ Фарит Халили, который также входит в группу Митрофанова.
Каково значение этого открытия?
Во-первых, наблюдение за слиянием нейтронных звезд - еще одна наглядная демонстрация эффективности астрономических наблюдений, первопроходцами в которых стали детекторы LIGO и Virgo.
«Это рождение новой науки! Такой сегодня день, - сообщил „Чердаку“ заведующий лабораторией космического мониторинга ГАИШ МГУ и руководитель проекта МАСТЕР Владимир Липунов. - Она будет называться гравитационная астрономия. Это когда все тысячелетние методы астрономии, которые тысячи астрономов применяли многие тысячи лет, нарабатывали, станут полезными для гравитационно-волновой тематики. До сегодняшнего дня все это было чистой физикой, то есть даже фантазией с точки зрения публики, а теперь это уже реальность. Новая реальность».
«Полтора года назад, когда были открыты гравитационные волны, был открыт новый способ изучения Вселенной, изучения природы Вселенной. И этот новый способ уже за полтора года продемонстрировал свою способность давать нам важную, глубокую информацию о разных явлениях во Вселенной. Несколько десятков лет гравитационные волны только пытались детектировать, и тут раз - полтора года назад их детектировали, получили Нобелевскую премию, и теперь прошло полтора года, и действительно показано, что кроме флага, который все поднимали - ага, Эйнштейн был прав! - это действительно работающий уже сейчас, только в начале науки гравитационной астрономии, он оказывается настолько эффективным, чтобы изучать разные явления во Вселенной», - сказал корреспонденту «Чердака» астрофизик Юрий Ковалев, руководитель лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ, заведующий лабораторией ФИАН, руководитель научной программы проекта «Радиоастрон».
Кроме этого, в ходе наблюдений было собрано огромное количество новых данных. В частности, было зафиксировано, что в процессе слияния нейтронных звезд образуются тяжелые элементы, такие как золото, платина и уран. Это подтверждает одну из существующих теорий происхождения тяжелых элементов во Вселенной. Ранее моделирование уже демонстрировало, что одних только вспышек сверхновых для синтеза тяжелых элементов во Вселенной недостаточно, и в 1999 году группа швейцарских ученых предположила , что еще одним источником тяжелых элементов могут служить слияние нейтронных звезд. И хотя килоновые намного более редки, чем вспышки сверхновых, именно они могут генерировать большую часть тяжелых элементов.
«Представьте себе, вы никогда не находили на улице денег, и тут наконец нашли. И это сразу тысяча долларов, - говорит Сергей Попов. - Во-первых, это подтверждение того, что гравитационные волны распространяются со скоростью света, подтверждение с точностью до 10 -15 . Это очень важная штука. Во-вторых, это некоторое число чисто технических подтверждений ряда положений общей теории относительности, что очень важно для фундаментальной физики вообще. В-третьих - если вернуться к астрофизике - это подтверждение того, что короткие гамма-всплески - это слияние нейтронных звезд. А что касается тяжелых элементов, то, конечно, не то чтобы в подобное прежде никто не верил. Но не было такого шикарного комплекса данных».
И этот комплекс данных уже в первый день позволил ученым опубликовать, по подсчетам «Чердака», как минимум 20 статей (восемь в Science , пять в Nature , две в Physical Review Letters и пять в Astrophysical Journal Letters ). По подсчетам журналистов Science , число авторов статьи, описывающей событие, примерно соответствует трети всех действующих астрономов. Ждете ли вы продолжения? Мы - да.