GW170817, или Астрономически важные сто секунд лета. Впервые в истории зарегистрированы гравитационные волны от слияния нейтронных звезд
Коллаборация LIGO-Virgo вместе с астрономами из 70 обсерваторий объявила сегодня о наблюдении слияния двух нейтронных звезд в гравитационном и электромагнитном диапазонах: увидели гамма-всплеск, а также рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и радио излучение.
Иллюстрация столкновения нейтронных звезд. Узкий выброс по диагонали - поток гамма-лучей. Светящееся облако вокруг звезд - источник видимого света, который наблюдали телескопы после слияния. Credit: NSF/LIGO/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Совместное наблюдение гамма-всплеска, гравитационных волн и видимого света позволили определить не только область на небе, где произошло событие, но и галактику NGC 4993, к которой звезды принадлежали.
Определение расположения на небе разными детекторами
Что мы можем сказать о нейтронных звездах?
Астрономы наблюдали короткие всплески гамма-излучения на протяжении многих десятилетий, но не знали точно, как они возникают. Основным предположением было, что этот всплеск происходит в результате слияния нейтронных звезд, и теперь наблюдение гравитационных волн от этого события подтвердило теорию.Когда нейтронные звезды сталкиваются, основная часть их вещества сливается в один сверхмассивных объект, излучая “огненный шар” из гамма излучения (тот самые короткий гамма-всплеск, зарегистрированный через две секунды после гравитационных волн). После этого возникает так называемая килонова , когда вещество, оставшееся после столкновения нейтронных звезд уносится от места столкновения, излучая свет. Наблюдение за спектром этого излучения позволило определить, что тяжелые элементы, такие как золото, рождаются именно в результате килоновых. Ученые наблюдали после-свечение на протяжении недель после события, собирая данные о процессах, происходивших в звездах, и это явилось первым достоверным наблюдением килоновой.
Нейтронные звезды - это сверхплотные объекты, образующиеся после взрыва сверхновой. Давление в звезде столь высоко, что отдельны атомы не могут существовать, и внутри звезды находится жидкий «суп» из нейтронов, протонов и других частиц. Чтобы описать нейтронную звезду, ученые используют уравнение состояния, связывающее давление и плотность вещества. Существует множество вариантов возможных уравнений состояний, но ученые не знают, какие из них правильные, поэтому гравитационные наблюдения могут помочь разрешить этот вопрос. На данный момент наблюденный сигнал не дает однозначного ответа, но помогают дать интересные оценки на форму звезды (которая зависит от гравитационного притяжения ко второй звезде).
Интересным открытием оказалось, что наблюдавшийся короткий гамма-всплеск является самым близким к Земле, но в то же время слишком тусклым для такого расстояния. Ученые предположили несколько возможных объяснений: возможно, луч гамма-излучения был неравномерной яркости, или мы увидели только самый его край. В любом случае возникает вопрос: ранее астрономы не предполагали, что такие тусклые всплески могут быть расположены так близко, и могли ли они тогда пропустить такие же тусклые всплески, или же неправильно интерпретировать их как более далекие? Совместные наблюдения в гравитационном и электромагнитном диапазоне могут помочь дать ответ, но на данном уровне чувствительности детекторов такие наблюдения будут достаточно редкими - в среднем 0.1-1.4 в год.
Кроме гравитационного и электромагнитного излучения, нейтронные звезды излучают потоки нейтрино в процессе слияния. Детекторы нейтрино также работали над поиском этих потоков от события, но не зафиксировали ничего. В целом, этот результат был ожидаем - как и в случае гамма-всплеска, событие слишком тусклое (или мы наблюдаем его под большим углом), чтобы детекторы могли его увидеть.
Скорость гравитационных волн
Так как гравитационные волны и световой сигнал произошли от одного источника с очень большой вероятностью (5.3 sigma), и первый световой сигнал пришел через 1.7 секунд после гравитационного, мы можем ограничить скорость распространения гравитационных волн с очень большой точностью. Предполагая, что свет и гравитационные волны излучались одновременно, а задержка между сигналами произошла из-за того, что гравитация быстрее, можно получить верхнюю оценку. Нижнюю оценку можно получить из моделей слияния нейтронных звезд: предположить, что свет был испущен через 10 секунд после гравитационных волн (в этот момент уже все процессы точно должны были завершиться) и нагнал гравитационные волны к моменту достижения Земли. Как результат, скорость гравитации равна скорости света с огромной точностьюДля нижней оценки можно использовать и большую задержку между излучением, и даже предположить, что сначала был испущен световой сигнал, что понизит точность пропорционально. Но даже в этом случае оценка получается чрезвычайно точной.
Используя те же знания о задержке между сигналами можно значительно повысить точность оценок на лоренц-инвариантность (разности между поведением гравитации и света при преобразовании Лоренца) и принцип эквивалентности .
Ученые измерили постоянную Хаббла и другим образом - по наблюдению параметров реликтового излучения на телескопе Планк , и получили другое значение постоянной Хаббла, не согласующееся с измерениями SHoES. Это различие слишком велико, чтобы быть статистическим, но пока не известны причины расхождений оценок. Поэтому необходимо независимое измерение.
Распределение вероятности для постоянной Хаббла с использованием гравитационных волн (синий). Пунктиром обозначены интервалы 1σ и 2σ (68.3% и 95.4%). Для сравнения показаны интервалы 1σ и 2σ для предыдущих оценок: Планк (зеленый) и SHoES (оранжевый), которые не сходятся друг с другом.
Гравитационные волны в данном случае играют роль стандартных свечей (и называются стандартными сиренами). Наблюдая амплитуду сигнала на Земле и моделируя его амплитуду в источнике, можно оценить, насколько она уменьшилась, и узнать тем самым расстояние до источника - независимо от любых предположений на постоянную Хаббла или предыдущие измерения. Наблюдение светового сигнала позволило определить галактику, где располагалась пара нейтронных звезд, а скорость удаления этой галактики была хорошо известна по предыдущим измерениям. Отношение между скоростью и расстоянием и является постоянной Хаббла. Важно, что такая оценка совершенно независима от предыдущих оценок или космической шкалы расстояний.
Одного измерения оказалось недостаточно, чтобы разрешить загадку различия в оценках Планка и SHoES, но в целом оценка уже хорошо соответствует известным значениям. Учитывая, что предыдущие оценки основываются на статистике, собранной на протяжении многих лет, это очень значительный результат.
Немного о LIGO и глитчах
Верхняя панель показывает глитч в данных LIGO-Livingston, и также явно демонстрирует наличие чирпа. Нижняя панель показывает безразмерную амплитуду колебаний, ”strain" (величина, которой мы описываем величину сигнала в LIGO и Virgo) в момент глитча. Это короткий
(длится всего около 1/4 секунды), но очень сильный сигнал. Подавление уменьшает глитч до уровня оранжевой кривой, которая показывает уровень фонового шума, всегда присутствующего в детекторах LIGO.
Только один из детекторов LIGO увидел сигнал в автоматическом режиме, поскольку на детекторе в Ливингстоне в момент события произошел «глитч». Этим термином называют всплеск шума, похожий на хлопок статики в радиоприемнике. Хотя гравитационно волновой сигнал был очевидно заметен человеческому глазу, автоматика отсекает подобные данные. Поэтому понадобилась очистка сигнала от глитча, прежде чем данные могли быть использованы детектором. Глитчи появляются в детекторах все время - примерно раз в несколько часов. Ученые классифицируют их по форме и длительности и используют эти знания для улучшения детекторов. Вы можете помочь им в этом в проекте GravitySpy , где пользователи ищут и классифицируют глитчи в данных LIGO, чтобы помочь ученым.
Вопросы без ответов
Известные нам черные дыры, нейтронные звезды и их слияния. Есть область средних масс, о существовании компактных объектов с которыми мы ничего не знаем. Credit: LIGO-Virgo/Northwestern/Frank Elavsky
Мы зарегистрировали гравитационные волны от двух компактных объектов, и наблюдение электромагнитного излучения говорит о том, что один из них был нейтронной звездой. Но второй мог быть и черной дырой малой массы, и хотя ранее таких черных дыр никто не видел, теоретически они могут существовать. Из наблюдения GW170817 нельзя определить точно, было ли это столкновение двух нейтронных звезд, хотя это и более вероятно.
Второй любопытный момент: а чем стал этот объект после слияния? Он мог стать либо сверхмассивной нейтронной звездой (самой массивной из известных) или самой легкой из известных черных дыр. К сожалению, данных наблюдения недостаточно, чтобы ответить на этот вопрос.
Заключение
Наблюдение слияния нейтронных звезд в о всех диапазонах - потрясающе богатое на физику событие. Количество данных, полученных учеными только за эти два месяца позволило подготовить несколько десятков публикаций, и гораздо больше будет, когда данные станут общедоступными. Физика нейтронных звезд гораздо богаче и интереснее физики черных дыр - мы можем напрямую проверять физику сверхплотного состояния вещества, а также квантовую механику в условиях сильных гравитационных полей. Эта уникальная возможность может помочь нам наконец найти связь между общей теорией относительности и квантовой физикой, которая до сих пор ускользала от нас.Это открытие еще раз показывает, насколько в современной физике важна совместная работа многих коллабораций из тысяч людей.
Reddit AMA
Традиционно на Reddit ученые из LIGO отвечают на вопросы пользователей, очень рекомендую!Происходит это будет с 18 часов по Москве 17 и 18 октября. Ссылка на событие будет ко времени начала.
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.
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.
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.
ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Ученые впервые в истории зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд - сверхплотных объектов массой с наше Солнце и размером с Москву. 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 и во Вселенной.
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 « » 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, но не зафиксировала 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.
Изменение яркости и цвета килоновой после взрыва
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.
Фотография источника гравитационных волн - NGC 4993, в центре различима вспышка
VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO
Сам всплеск «звучал» очень долго - около 100 секунд, слияния черных дыр 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 километров, гравитационные волны стали достаточно мощными, чтобы попасть в зону чувствительности гравитационных детекторов LIGO/Virgo. 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. 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 NASA имени Годдарда.
Кроме того, астрономы впервые получили однозначное подтверждение существования килоновых (или «макроновых») вспышек, которые примерно в 1000 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 .
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.
«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 (Stefano Covino), первый автор одной из статей в Nature Astronomy .
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.
Гравитационные волны - волны колебаний геометрии пространства-времени, существование которых было предсказано общей теорией относительности. Впервые об их достоверном обнаружении коллаборация LIGO в феврале 2016 года - спустя 100 лет после предсказаний Эйнштейна. Подробнее о том, что такое гравитационные волны и как они могут помочь исследовать Вселенную можно прочитать в наших специальных материалах - « » и ».
Александр Войтюк
