Космология

Гравитационные волны от слияния нейтронных звезд

Отправлено: Октябрь 24, 2017 в 18:37

Категория: «Новости»

Примерно 130 миллионов лет назад, в далёкой-далёкой галактике, излучая гравитационные волны, столкнулись две нейтронные звезды. Подобного события сотрудники LIGO ждали с момента запуска усовершенствованной версии интерферометра в 2015 году.

Спустя сто лет, после того как Эйнштейн предположил существование гравитационных волн, мы их увидели, проследили до источника и нашли взрыв с новой физикой, о которой раньше мы могли только мечтать.

Andy Howell, астроном из обсерватории Las Cumbres
Столкновение нейтронных звезд и гравитационные волны
Рябь в ткани пространства и времени указывает на гравитационные волны; узкие диагональные выбросы — поток гамма-лучей; возможным источником зарегистрированного света выступают закрученные облака материи, выброшенные сливающимися звездами.
National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Что такое нейтронная звезда?

Когда у звезды с массой 8-30 солнечных заканчивается топливо, способное поддерживать процесс термоядерного синтеза, ее ядро коллапсирует под давлением внешних слоев. Гравитация сжимает материю настолько сильно, что протоны и электроны объединяются, образуя нейтроны. В этот момент происходит чудовищный взрыв — рождается сверхновая. Нейтронное ядро бывшего красного сверхгиганта становится нейтронной звездой.

Всего около 20 километров в диаметре, примерно, как большой город, но с массой в 1.4-2 раза больше солнечной. Это самые маленькие и самые плотные из известных звезд. Всего лишь чайная ложка вещества нейтронной звезды весит миллиард тонн, а гравитация на поверхности в среднем в 2 миллиарда раз сильнее, чем на поверхности Земли. К тому же сила взрыва сверхновой раскручивает звезду, заставляя вращаться несколько раз в секунду (со временем скорость падает). На данный момент рекордсменом считается пульсар PSR J1311-3430, совершающий 43 000 оборотов в минуту.

Взрыв сверхновой SN 2013cu
Свет от взрыва сверхновой SN 2013cu ярче, чем центр галактики UGC 9379.

У некоторых нейтронных звезд есть джеты (направленные потоки частиц), выбрасывающие над магнитными полюсами вещество с околосветовой скоростью. Обычно ось вращения и магнитная ось смещены относительно друг друга и на Земле видны вспышки излучения через одинаковые короткие промежутки времени. Такие нейтронные звезды называют «пульсарами». По данным на 2010 год примерно 1 800 пульсаров было открыто по радиоизлучению, еще 70 было найдено по гамма-лучам.

Выделяют несколько классов нейтронных звезд, такие как радиопульсары, магнитары, рентгеновские пульсары и радиотихие нейтронные звезды. Иногда нейтронные звезды входят в двойные системы с самыми различными компаньонами: от белых карликов до красных гигантов. А иногда система состоит из двух нейтронных звезд.

Хронология событий

Гравитационно-волновой всплеск под индексом GW170817 был впервые обнаружен 17 августа 2017 года в 8:41 утра по североамериканскому восточному времени одним из интерферометров проекта LIGO. Практически в то же время космические телескопы Fermi (NASA) и INTEGRAL (ESO) зарегистрировали короткий гамма-всплеск, примерно 2 секунды длиной. Шанс того, что это случайное совпадение, оценили как исключительно малый. Дополнительный анализ данных подтвердил наличие сигнала еще на одном детекторе команды LIGO, изначально его ошибочно приняли за шум. Было установлено приблизительное положение источника сигнала и разослано оповещение для астрономов по всему миру.

Хотя отсутствие сигнала на европейском детекторе Virgo (он был расположен таким образом, что оказался не чувствителен к волне) и позволило значительно уточнить область поиска, она по прежнему была очень значительной. С задачей поиска визуального подтверждения первым справился (спустя всего 11 часов) старенький 1-метровый телескоп в Чили, запущенный в эксплуатацию в 1971 году. Новый источник света был обнаружен в галактике NGC 4993, находящейся примерно в 130 миллионах световых лет от Земли. Сделанные позже фотографии с телескопа Хаббл в видимом и инфракрасном спектрах показали, что источник ярче, чем новая, но тусклее, чем сверхновая звезда. Дополнительные подтверждения о наблюдении объекта приблизительно от 70 телескопов по всему миру не заставили себя долго ждать.

Галактика NGC 4993 на телескопах Swope и Magellan
Цвет килоновы сместился от ярко-голубого к темно-красному в течение примерно четырех дней. Это самое быстрое изменение среди наблюдавшихся ранее звездных взрывов.
1M2H/UC Santa Cruz and Carnegie Observatories/Ryan Foley

Анализ гравитационных волн позволил приблизительно установить параметры участвующих в слиянии звезд — от 1.1 до 1.6 солнечных масс и около 20 километров в диаметре. Предыдущие четыре сигнала, полученные в результате наблюдения за слияниями черных дыр, длились доли секунды, в то время как от 17 августа был длиной около 100 секунд. Близость источника позволила получить исключительно четкий сигнал, который, по словам пресс-секретаря LIGO Лауры Кадонати (Laura Cadonati), мог бы возникнуть «реже чем раз в 80 000 лет по случайному совпадению». Были побиты два рекорда разом: зарегистрированы ближайший источник гравитационных волн и ближайший гамма-всплеск.

Художественное представление взрыва килоновы
Слияние нейтронных звезд породило сильнейший взрыв, известный как килонова. На изображении показаны некоторые из созданных в процессе веществ с их атомными массами.
ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

В пространство было выброшено от 0.03 до 0.05 солнечных масс вещества (примерно 13 000 масс Земли). Начальная скорость выброса по данным ESA составляла около одной пятой скорости света. Значительная часть выброшенного вещества представляет собой элементы тяжелее железа, включая многие редкие, в первую очередь, это платина и золото. Долгое время считалось, что r-процесс, в ходе которого формируются тяжелые элементы, может также происходить во время коллапса ядра сверхновой. В данный же момент ученые склоняются к тому, что плотность нейтронов внутри сверхновых слишком низкая для его запуска. Также по анализу спектра был подтвержден выброс цезия и теллура, но наличие в выброшенном веществе многих элементов, предсказываемых в теоретической модели, не удалось однозначно установить.

Гравитационные волны и скорость света

В 1961 году Эйнштейн в своей общей теории относительности предсказал возможное существование гравитационных волн. Согласно этой теории движущиеся массы порождают «рябь» в метрике пространства-времени, которая расходится от источника, как если бы вы бросили камешек в пруд. Эти волны могут дать нам информацию о том где, когда и как они были порождены. Было предсказано распространение гравитационных волн со скоростью света, теперь теория подтвердилась.

До появления общей теории относительно Эйнштейна считалось, что гравитация распространяется мгновенно. Согласно теории Ньютона, при движении Земли по орбите ее гравитационное поле моментально смещается и эти изменения можно незамедлительно обнаружить из любой точки Вселенной. Мы знаем, что если бросить в пруд камешек, то пройдет некоторое время, прежде чем волны достигнут края водоема; сейчас, после обнаружения и гравитационных, и световых волн, порожденных одним событием, мы можем с уверенностью говорить, что подобное поведение свойственно и гравитации.

Учитывая расстояние до точки слияния нейтронных звезд и разницу между регистрацией светового и гравитационного сигналов в 1.7 секунды, можно считать, что скорость распространения гравитации с огромной точностью равна скорости света. Даже в нижней оценке, допускающей, что свет был испущен на 10 секунд позже гравитационных волн, точность составляет 3 * 10-15. Незначительная задержка между сигналами может быть объяснена тем, что реакциям, вызвавшим гамма-излучение потребовалось некоторое время чтобы достичь поверхности.

Значение для астрофизики и новые вопросы

— Впервые зарегистрировано, предсказанное теоретически, столкновение нейтронных звезд. Также впервые визуально подтверждена регистрация гравитационных волн. Поглощение нейтронной звезды черной дырой — еще одно событие, которое астрономическое сообщество надеется зафиксировать в будущем.

— Получено первое подтверждение того, что гравитационные волны и свет распространяются с одинаковой скоростью, в полном соответствии с предсказаниями Эйнштейна.

— Данное событие стало подтверждением теории о происхождении химических элементов тяжелее железа, например, золота и платины. Однако встает новый вопрос: могут ли столкновения нейтронных звезд объяснить весь объем таких элементов в нашей Вселенной?

— Активно обсуждается возможность уточнения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) при помощи анализа гравитационных волн от подобного рода слияний. Регистрация таких событий в будущем поможет провести независимую и более точную оценку расстояний.

— Теория о происхождении коротких гамма-всплесков получила свое подтверждение. Однако зарегистрированный всплеск был достаточно слабым, несмотря на то, что он был получен от рекордно близкого к Земле источника. Возможно, это объясняется тем, что луч всплеска был направлен под большим углом по отношению к наблюдателю.

— По анализу спектра с окончательной ясностью невозможно установить объект какого типа получился в результате слияния. Предполагаемые варианты: сверхмассивная нейтронная звезда или, напротив, самая легкая черная дыра из известных. Повышение чувствительности интерферометров и дополнительные измерения электромагнитного излучения, вероятно, позволят в будущем дать более определенный ответ.
Примечание от 18 января 2018 года: по последним данным результатом слияния стала черная дыра, а максимально возможная масса нейтронных звезд определена как 2,16 массы Солнца.

Дополнительные материалы по теме

GW170817 (подборка из 67 научных статей)

LIGO and Virgo Make First Detection of Gravitational Waves Produced by Colliding Neutron Stars

ESO Telescopes Observe First Light from Gravitational Wave Source

In a First, Gravitational Waves Linked to Neutron Star Crash

First Cosmic Event Observed in Both Gravitational Waves and Light

Gravitational waves tell us how fast the Universe is expanding