Впервые зарегистрированы гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд. Слияние нейтронных звезд завершилось образованием черной дыры Гравитационные волны нейтронные звезды

16 октября астрономы сообщили, что 17 августа впервые в истории зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд . Наблюдениями занимались 70 групп ученых, а соавторами одной из статей, посвященных этому событию, стали 4600 астрономов - больше трети всех астрономов мира. Сайт N+1 в большой статье рассказал, почему это важное открытие и на какие вопросы оно поможет ответить.

Как все произошло?

17 августа 2017 года, в 15:41:04 по московскому времени детектор обсерватории LIGO в Хенфорде (Вашингтон) услышал рекордно длинную гравитационную волну - сигнал продолжался около ста секунд. Это очень большой промежуток времени - для сравнения, предыдущие четыре фиксации гравитационных волн длились не дольше трех секунд. Сработала автоматическая программа оповещения. Астрономы проверили данные: оказалось, что второй детектор LIGO (в Луизиане) тоже зафиксировал волну, но автоматический триггер не сработал из-за краткосрочных шумов.

На 1,7 секунды позже детектора в Хенфорде, независимо от него, сработала автоматическая система телескопов «Ферми» и «Интеграл» - космических гамма-обсерваторий, наблюдающих одни из самых высокоэнергетических событий во Вселенной. Приборы обнаружили яркую вспышку и примерно определили ее координаты. В отличие от гравитационного сигнала, вспышка длилась всего две секунды. Интересно, что российско-европейский «Интеграл» заметил гамма-всплеск «боковым зрением» - «защитными кристаллами» основного детектора. Тем не менее, это не помешало триангуляции сигнала.

Примерно через час LIGO разослал сведения о возможных координатах источника гравитационных волн - установить эту область удалось благодаря тому, что сигнал заметил и детектор Virgo. По задержкам, с которыми детекторы начали получать сигнал, стало ясно, что, вероятнее всего, источник находится в южном полушарии: сперва сигнал достиг Virgo и лишь затем, спустя 22 миллисекунды, был зафиксирован обсерваторией LIGO. Изначальная область, рекомендуемая для поиска, достигала 28 квадратных градусов, что эквивалентно сотням площадей Луны.

Следующим этапом было объединение данных гамма- и гравитационных обсерваторий воедино и поиск точного источника излучения. Так как ни гамма-телескопы, ни тем более гравитационные не позволяли найти требуемую точку с большой точностью, физики инициировали сразу несколько оптических поисков. Один из них - с помощью роботизированной системы телескопов «МАСТЕР», разработанной в ГАИШ МГУ.

Наблюдение за килоновой Европейской южной обсерватории European Southern Observatory (ESO)

Обнаружить среди тысяч возможных кандидатов нужную вспышку удалось чилийскому метровому телескопу Swope - почти через 11 часов после гравитационных волн. Астрономы зафиксировали новую светящуюся точку в галактике NGC 4993 в созвездии Гидры, ее яркость не превышала 17 звездной величины. Такой объект вполне доступен для наблюдения в полупрофессиональные телескопы.

В течение примерно часа после этого, независимо от Swope, источник нашли еще четыре обсерватории, в том числе аргентинский телескоп сети «МАСТЕР». После этого началась масштабная наблюдательная кампания, к которой присоединились телескопы Южной европейской обсерватории, «Хаббл», «Чандра», массив радиотелескопов VLA и множество других приборов - в сумме более 70 групп ученых наблюдали за развитием событий. Через девять дней астрономам удалось получить изображение в рентгеновском диапазоне, а через 16 дней - в радиочастотном. К сожалению, через некоторое время Солнце приблизилось к галактике и в сентябре наблюдения стали невозможными.

Что стало причиной взрыва?

Такая характерная картина взрыва во многих электромагнитных диапазонах была предсказана и описана уже давно. Она соответствует столкновению двух нейтронных звезд - ультракомпактных объектов, состоящих из нейтронной материи.

По словам ученых, масса нейтронных звезд составляла 1,1 и 1,6 массы Солнца (сравнительно точно определена суммарная масса - около 2,7 массы Солнца). Первые гравитационные волны возникли, когда расстояние между объектами составляло 300 километров.

Большой неожиданностью стало небольшое расстояние от этой системы до Земли - около 130 миллионов световых лет. Для сравнения, это всего в 50 раз дальше, чем от Земли до Туманности Андромеды, и почти на порядок меньше, чем расстояние от нашей планеты до черных дыр, столкновение которых фиксировали ранее LIGO и Virgo. Кроме того, столкновение стало самым близким к Земле источником короткого гамма-всплеска.

Двойные нейтронные звезды известны с 1974 года - одну из таких систем открыли нобелевские лауреаты Рассел Халс и Джозеф Тейлор. Однако до сих пор все известные двойные нейтронные звезды находились в нашей Галактике, а стабильность их орбит была достаточной, чтобы они не столкнулись в течение ближайших миллионов лет. Новая пара звезд сблизилась настолько, что началось взаимодействие и стал развиваться процесс переноса вещества

Столкновение двух нейтронных звезд. Анимация Nasa

Событие получило название килоновой. Дословно это означает, что яркость вспышки была примерно в тысячу раз мощнее, чем типичные вспышки новых звезд - двойных систем, в которых компактный компаньон перетягивает на себя материю.

Что все это значит?

Полный спектр собранных данных уже позволяет ученым называть событие краеугольным камнем будущей гравитационно-волновой астрономии. По результатам обработки данных за два месяца было написано около 30 статей в крупных журналах: по семь в Nature и Science , а также работы в Astrophysical Journal Letters и других научных изданиях. Соавторами одной из этих статей являются 4600 астрономов из различных коллабораций - это больше трети всех астрономов мира.

Вот ключевые вопросы, к ответам на которые ученым впервые удалось подойти по-настоящему.

Что запускает короткие гамма-всплески?

Гамма-всплески - это одни из самых высокоэнергетических явлений во Вселенной. Мощность одного такого всплеска достаточна, чтобы за секунды выбросить в окружающее пространство столько же энергии, сколько Солнце генерирует за 10 миллионов лет. Различают короткие и длинные гамма-всплески; при этом считается, что это различные по своему механизму явления. К примеру, источником длинных всплесков считаются коллапсы массивных звезд.

Источниками коротких гамма-всплесков предположительно являются слияния нейтронных звезд. Однако до сих пор прямых подтверждений этому не было. Новые наблюдения - самое веское на сегодняшний день доказательство существования этого механизма.

Откуда во Вселенной берутся золото и другие тяжелые элементы?

Нуклеосинтез - слияние ядер в звездах - позволяет получить огромный спектр химических элементов. Для легких ядер реакции слияния протекают с выделением энергии и в целом энергетически выгодны. Для элементов, чья масса близка к массе железа, энергетический выигрыш оказывается уже не настолько большим. Из-за этого в звездах почти не образуются элементы тяжелее железа - исключением являются взрывы сверхновых. Но их совершенно недостаточно, чтобы объяснить распространенность золота, лантанидов, урана и других тяжелых элементов во Вселенной.

В 1989 году физики предположили, что за это может отвечать r-нуклеосинтез в слияниях нейтронных звезд. Подробнее об этом можно прочитать в блоге астрофизика Марата Мусина. До сегодняшнего дня этот процесс был известен лишь в теории.

Спектральные исследования нового события показали отчетливые следы рождения тяжелых элементов. Так, благодаря спектрометрам Очень большого телескопа (VLT) и «Хаббла» астрономы обнаружили присутствие цезия, теллура, золота и платины. Также есть свидетельства образования ксенона, иода и сурьмы. По оценкам физиков, в результате столкновения была выброшена общая масса легких и тяжелых элементов, эквивалентная 40 массам Юпитера. Одного лишь золота, согласно теоретическим моделям, образуется около 10 масс Луны.

Чему равна константа Хаббла?

Оценить экспериментально скорость расширения Вселенной можно с помощью специальных «стандартных свечей». Это объекты, для которых известна абсолютная яркость, а значит, по соотношению между абсолютной и видимой яркостью можно сделать вывод о том, как далеко они находятся. Скорость расширения на данном расстоянии от наблюдателя определяется по доплеровскому смещению, например, линий водорода. Роль «стандартных свечей» играют, например, сверхновые Ia типа («взрывы» белых карликов) - кстати, именно на их выборке было доказано расширение Вселенной.

Наблюдение за слиянием двух нейтронных звезд с телескопа в Паранальской обсерватории (Чили)European Southern Observatory (ESO)

Константа Хаббла задает линейную зависимость скорости расширения Вселенной на данном расстоянии. Каждое независимое определение ее значения позволяет нам убедиться в справедливости принятой космологии.

Источники гравитационных волн тоже являются «стандартными свечами» (или, как их называют в статье, «сиренами»). По характеру гравитационных волн, которые они создают, можно независимо определить расстояние до них. Именно этим воспользовались астрономы в одной из новых работ. Результат совпал с другими независимыми измерениями - на основе реликтового излучения и наблюдения за гравитационно-линзированными объектами. Константа примерно равна 62–82 километрам в секунду на мегапарсек. Это означает, что две галактики, удаленные на 3,2 миллиона световых лет, в среднем разбегаются со скоростью 70 километров в секунду. Новые слияния нейтронных звезд помогут увеличить точность этой оценки.

Как устроена гравитация?

Общепринятая на сегодняшний день общая теория относительности в точности предсказывает поведение гравитационных волн. Однако квантовая теория гравитации до сих пор не разработана. Есть несколько гипотез о том, как она может быть устроена - это теоретические конструкции с большим количеством неизвестных параметров. Одновременное наблюдение электромагнитного излучения и гравитационных волн позволит уточнить и сузить границы для этих параметров, а также отбросить некоторые гипотезы.

К примеру, тот факт, что гравитационные волны пришли за 1,7 секунды до гамма-квантов, подтверждает то, что они и правда распространяются со скоростью света. Кроме того, сама величина задержки может быть использована для проверки принципа эквивалентности, лежащего в основе ОТО.

Как устроены нейтронные звезды?

Мы знаем строение нейтронных звезд лишь в общих чертах. У них имеются кора из тяжелых элементов и нейтронное ядро - но, к примеру, нам до сих пор не известно уравнение состояния нейтронной материи в ядре. А от этого зависит, например, ответ на такой простой вопрос: что именно образовалось при столкновении, которое наблюдали астрономы?

Визуализация гравитационных волн от слияния двух нейтронных звезд

Как и у белых карликов, у нейтронных звезд есть понятие критической массы, при превышении которой может начаться коллапс. В зависимости от того, превзошла ли масса нового объекта критическую или нет, есть несколько сценариев дальнейшего развития событий. Если суммарная масса окажется слишком большой, то объект сразу коллапсирует в черную дыру. Если масса немного меньше, то может возникнуть неравновесная быстровращающаяся нейтронная звезда, которая тоже, впрочем, со временем коллапсирует в черную дыру. Альтернативный вариант - образование магнетара, быстровращающейся нейтронной дыры с огромным магнитным полем. По всей видимости, магнетар в столкновении не образовался - сопутствующее ему жесткое рентгеновское излучение зафиксировано не было.

По словам Владимира Липунова, руководителя сети «МАСТЕР», имеющихся сейчас данных недостаточно, чтобы выяснить, что же именно образовалось в результате слияния. Однако у астрономов уже есть ряд теорий, которые будут опубликованы в ближайшие дни. Возможно, из будущих слияний нейтронных звезд удастся определить искомую критическую массу.

Владимир Королев , N+1

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.

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

Гравитационные волны, возникшие во время слияния двух нейтронных звезд. Событие получило обозначение GW170817. Последовавшие за слиянием гамма-всплеск и вспышку килоновой наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий, начиная от ESO и заканчивая Hubble. В режиме реального времени астрономы увидели предсказанный теоретиками процесс синтеза тяжелых элементов, в том числе золота и платины, и подтвердить правоту гипотез о природе загадочных коротких гамма-всплесков. Также было установлено примерно место слияния нейтронных звезд. Оно находится в галактике NGC 4993, удаленной от нас на 130 млн св. л.


В то время, как большинство ученых сосредоточило свои дальнейшие усилии на изучении непосредственных продуктов слияния, группа американских астрофизиков попыталась ответить на вопрос, какой объект образовался в результате космического ДТП. Для этого они воспользовались помощью телескопа Chandra. Проанализировав данные о рентгеновском излучении GW170817, исследователи пришли к выводу , что они соответствуют черной дыре звездной массы.

Также на днях в журнале Nature были опубликованы результаты другого исследования , посвященного GW170817. Ученые пытались найти ответ на вопрос, чем были вызваны некоторые странности вспышки. Скажем, большая часть исследователей предполагала, что слияние нейтронных звезд должны приводить к формированию миниатюрных гамма-вспышек — но этого не наблюдалось.

Данные радиотелескопов указали на причину этой и других аномалий. Остаток нейтронных звезд окружает плотный кокон из раскаленного газа, с которым столкнулись пучки плазмы, выброшенные во время слияния этих объектов. Это столкновение «взболтало» газ, разогнало его до примерно 30-50% скорости света, заставив светиться. Существование горячего газового кокона хорошо объясняет многие особенности слияния. Например, в какой последовательности будут наблюдаться последствия вспышки в разных диапазонах электромагнитного спектра, а также то, что этот объект будет становиться все более ярким в радиоволнах.

17 августа 2017 года лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO и франко-итальянский детектор гравитационных волн VIRGO впервые зафиксировали гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Примерно через две секунды после этого космический гамма-телескоп NASA «Fermi» и астрофизическая гамма-лаборатория ESA «INTEGRAL» наблюдали короткий гамма-всплеск GRB170817A в той же области неба.

«Ученому редко выпадает случай стать свидетелем начала новой эры в науке. Это – один из таких случаев!» – сказала Елена Пиан из Астрофизического института Италии, автор одной из публикуемых в Nature статей.

Что такое гравитационные волны?

Гравитационные волны, создающиеся движущимися массами, являются маркерами самых жестоких событий во Вселенной и возникают при столкновении плотных объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды.

Их существование было предсказано еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном в Общей Теории Относительности. Однако, зафиксировать гравитационные волны удалось только спустя сто лет, поскольку только самые мощные из этих волн, обусловленные быстрыми изменениями скорости очень массивных объектов, могут быть зарегистрированы современными приемниками.

До сегодняшнего дня было поймано 4 сигнала гравитационных волн: трижды LIGO в одиночку фиксировал «рябь» пространства-времени, а 14 сентября 2017 года впервые гравитационные волны были пойманы сразу тремя детекторами (двумя детекторами LIGO в США и одним детектор VIRGO в Европе).

У четырех предыдущих событий есть одно общее – все они вызваны слиянием пар черных дыр, вследствие чего увидеть их источник невозможно. Теперь все изменилось.

Как обсерватории по всему миру «ловили» источник гравитационных волн

Совместная работа LIGO и VIRGO позволила позиционировать источник гравитационных волн в пределах обширного участка южного неба размером в несколько сотен дисков полной Луны, содержащего миллионы звезд. Более 70 обсерваторий по всему миру, а также космический телескоп NASA «Hubble» принялись наблюдать этот район неба в поисках новых источников излучения.

Первое сообщение об обнаружении нового источника света поступило спустя 11 часов с метрового телескопа «Swope». Оказалось, что объект находился очень близко к линзовидной галактике NGC 4993 в созвездии Гидры. Почти в то же время тот же источник был зарегистрирован телескопом Европейской южной обсерватории ESO «VISTA» в инфракрасных лучах. По мере того, как ночь продвигалась по земному шару на запад, объект наблюдался на Гавайских островах телескопами «Pan-STARRS» и «Subaru», причем была отмечена его быстрая эволюция.

Вспышка от столкновения двух нейтронных звезд в галактике NGC 4993 хорошо видна на снимке космического телескопа «Hubble». Наблюдения, проведенные с 22 по 28 августа 2017 года, показывают, как она постепенно исчезала. Credit: NASA/ESA

Оценки расстояния до объекта, полученные как из гравитационно-волновых данных, так и из других наблюдений, дали согласующиеся результаты: GW170817 находится на том же расстоянии от Земли, что и галактика NGC 4993, то есть в 130 миллионах световых лет. Таким образом, это ближайший к нам из всех обнаруженных источников гравитационных волн и один из ближайших когда-либо наблюдавшихся источников гамма-всплесков.

Загадочная килоновая

После того, как массивная звезда взрывается в виде сверхновой, на ее месте остается сверхплотное сколлапсировавшее ядро: нейтронная звезда. Слияниями нейтронных звезд в основном объясняются и короткие гамма-всплески. Считается, что это событие сопровождается взрывом в тысячу раз более ярким, чем типичная новая – так называемой килоновой.

Художественное представление столкновения двух нейтронных звезд в галактике NGC 4993, породившего вспышку килоновой и гравитационные волны. Credit: ESO/L. Calgada/M. Kornmesser

«Это ни на что не похоже! Объект очень быстро стал невероятно ярким, а затем начал стремительно исчезать, переходя от синего цвета к красному. Это невероятно!» – рассказывает Райан Фоули из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (США).

Почти одновременная регистрация гравитационных волн и гамма-лучей от GW170817 породила надежду на то, что это и есть давно разыскиваемая килоновая. Подробные наблюдения на инструментах ESO и космическом телескопе «Hubble» действительно обнаружили у этого объекта свойства очень близкие к теоретическим предсказаниям, сделанным более 30 лет назад. Таким образом, получено первое наблюдательное подтверждение существования килоновых.

Пока неясно, какой объект породило слияние двух нейтронных звезд: черную дыру или новую нейтронную звезду. Дальнейший анализ данных должен ответить на этот вопрос.

В результате слияния двух нейтронных звезд и взрыва килоновой происходит выброс радиоактивных тяжелых химических элементов, разлетающихся со скоростью в одну пятую скорости света. В течение нескольких дней – быстрее, чем при любом другом звездном взрыве – цвет килоновой меняется от ярко-голубого к очень красному.

«Данные, которые мы получили, великолепно согласуются с теорией. Это триумф теоретиков, подтверждение абсолютной реальности событий, зарегистрированных установками LIGO и VIRGO, и замечательное достижение ESO, которой удалось получить наблюдения килоновой», – рассказывает Стефано Ковино из Астрофизического института Италии, автор одной из публикуемых в Nature Astronomy статей.

Некоторые из элементов, выбрасываемые в космос при слиянии двух нейтронных звезд. Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Спектры, полученные инструментами на Очень большом телескопе ESO показывают присутствие цезия и теллура, выброшенных в пространство при слиянии нейтронных звезд. Эти и другие тяжелые элементы рассеиваются в космосе после взрывов килоновых. Таким образом, наблюдения указывают на формирование элементов тяжелее железа при ядерных реакциях в недрах сверхплотных звездных объектов. Этот процесс, называемый r-нуклеосинтезом, раньше был известен только в теории.

Важность открытия

Открытие ознаменовало рассвет новой эры в космологии: теперь мы можем не только слушать, но и видеть события, порождающие гравитационные волны! В краткосрочной перспективе анализ новых данных позволит ученым получить более точное представление о нейтронных звездах, а в будущем наблюдения подобных событий помогут объяснить продолжающееся расширение Вселенной, состав темной энергии, а также происхождение самых тяжелых элементов в космосе.

Исследования, описывающие открытие, представлены серией статей в журналах Nature , Nature Astronomy и Astrophysical Journal Letters .