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.
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
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.
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
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.