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).
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.
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.
Сразу во всех диапазонах спектра плюс - зарегистрировать гравитационные волны от этого события. На фотографии, сделанной телескопом «Хаббл», показана галактика NGC 4993, в которой это произошло. Желтое пятно выше и левее центра галактики - это вспышка от слияния. На врезках показано, как она менялась с 22 по 28 августа.
Сам гравитационно-волновой всплеск произошел 17 августа этого года, а потому получил наименование GW170817 . В начале его поймали на VIRGO (установка удачно подключилась на непродолжительное время к научной наблюдательной сессии LIGO), а затем - через доли секунды - на американских детекторах. Наблюдаемый всплеск длился почти две минуты! Это стоит послушать!
Но самое главное, что через 1,7 секунды гамма-детекторы на спутниках Fermi и INTEGRAL зарегистрировали короткий гамма-всплеск, получивший наименование GRB 170817A . Как быстро выяснилось - это связанные события.
Гравитационные детекторы не могут очень точно определить точку всплеска на небе, даже в этом случае, когда сработало три детектора, площадь неопределенности составляла около 30 квадратных градусов (более 100 лунных дисков), а вот гамма-детекторы могут определять координаты гораздо точнее. Поэтому сразу удалось подключить наблюдателей, работающих во всем диапазоне спектра (кроме того, были проанализированы данные нейтринных детекторов, но они ничего не увидели, как, впрочем, и ожидалось). И это привело к потрясающему открытию - всплеск и его послесвечение удалось увидеть и в рентгеновском, и в оптическом, и в ультрафиолетовом, и в инфракрасном диапазонах!
Поскольку гравитационно-волновой сигнал и гамма-всплеск пришли практически одновременно, можно с высокой точностью (примерно 10 −15) утверждать, что скорость распространения гравитационных волн равна скорости света (заметим, что задержка скорее всего связана не с разницей скоростей, а с физикой генерации гамма-всплеска). Кроме того, удалось с более высокой точностью, чем ранее, проверить еще несколько предсказаний Общей теории относительности.
Наличие гравитационно-волнового сигнала позволяет непосредственно определить расстояние до сливающихся объектов. А данные оптических измерений дают идентификацию галактики, то есть позволяют определить красное смещение. Вместе эти независимые измерения позволяют определить постоянную Хаббла . Пока, правда, они не слишком точны - 60–80 (км/c)/Мпк. Эта точность хуже, чем в ряде других космологических измерений. Однако важно, что в данном случае постоянная Хаббла измеряется совсем другим независимым методом, к тому же - модельно независимым (то есть, не надо закладывать дополнительные теоретические предположения для получения результата). Поэтому можно надеяться, что в будущем подобные данные по наблюдению слияний нейтронных звезд с помощью гравитационно-волновых детекторов в галактиках с известным красным смещением станут источником существенной космологической информации.
Итак. На расстоянии 130 миллионов световых лет (40 мегапарсек) в галактике NGC 4993 произошло слияние двух нейтронных звезд. В результате произошел гравитационно-волновой всплеск, а также выделилось большое количество энергии в разных диапазонах электромагнитного спектра.
Кроме основной вспышки на протяжении некоторого времени астрономы наблюдали также так называемую килоновую (их иногда еще называют макроновыми, см. Kilonova). Это излучение связано с распадом радиоактивных элементов, синтезированных в результате слияния нейтронных звезд. Синтез идет в результате так называемого r-процесса, буква «r» здесь - от слова rapid (быстрый). После слияния расширяющееся вещество пронизывается потоком нейтронов и нейтрино. Это создает благоприятные условия для превращения ядер элементов в более тяжелые. Ядра захватывают нейтроны, которые затем внутри ядра могут превращаться в протоны, в результате чего ядро перепрыгивает на одну клеточку в таблице Менделеева. Так можно «допрыгать» не только до свинца, но и до урана и тория. Современные расчеты показывают, что основная часть тяжелых элементов (с массой более 140), например, золото и платина, синтезируются именно в результате слияния нейтронных звезд, а не в процессе взрывов сверхновых.
Таким образом, от одного события получен большой комплекс данных, интересный для самых разных областей физики и астрофизики:
1. Доказана связь коротких гамма-всплесков со слияниями нейтронных звезд. Новые данные позволят гораздо лучше разобраться в физике коротких гамма-всплесков.
2. Удалось провести прекрасную проверку ряда предсказаний ОТО (скорость распространения гравитационных волн, лоренц-инвариантность , принцип эквивалентности).
3. Получены уникальные данные по синтезу элементов при слиянии нейтронных звезд.
4. Удалось получить прямое измерение постоянной Хаббла
Ждем, что последующие наблюдения помогут с высокой точность определять массы и радиусы нейтронных звезд (что важно для понимания их строения, то есть актуально и для ядерной физики), а также ждем события, где слияние двух нейтронных звезд приведет к наблюдаемому формированию черной дыры. Кстати, сказать точно, что произошло в результате этого события - нельзя (но скорее всего, все-таки сформировалась черная дыра).
В заключение отметим, что астрономам очень и очень повезло. Во-первых, всплеск очень близкий. Во-вторых, вероятность того, что гравитационно-волновой всплеск будет сопровождаться гамма-всплеском, - не очень велика. Будем надеяться, что астрономам будет везти и дальше!
Оригинальные статьи с материалами, связанными с открытием, можно найти на сайте LIGO .
Сергей Попов