Fusion d'une étoile à neutrons et d'un trou noir. Les scientifiques ont capté pour la première fois les vagues de la fusion d'étoiles à neutrons. Quelle est la signification de cette découverte

ESO / L. Calçada / M. Kornmesser

Pour la première fois dans l'histoire, les scientifiques ont enregistré des ondes gravitationnelles résultant de la fusion de deux étoiles à neutrons - des objets superdenses avec une masse de notre Soleil et la taille de Moscou. Le sursaut gamma résultant et un sursaut kilonova ont été observés par environ 70 observatoires au sol et spatiaux - ils ont pu voir le processus de synthèse d'éléments lourds, y compris l'or et le platine, prédit par les théoriciens, et de confirmer l'exactitude de hypothèses sur la nature de mystérieux sursauts gamma courts, a rapporté le service de presse de la collaboration LIGO / Virgo, European Southern Observatory et Los Cumbres Observatory. Les résultats de l'observation peuvent faire la lumière sur et dans l'univers.

Le matin du 17 août 2017 (à 8h41, heure de la côte est des États-Unis, alors qu'il était 15h41 à Moscou), des systèmes automatiques sur l'un des deux détecteurs de l'observatoire d'ondes gravitationnelles LIGO ont enregistré l'arrivée d'un vague de l'espace. Le signal a reçu la désignation GW170817, c'était le cinquième cas de verrouillage ondes gravitationnelles depuis 2015, depuis leur première immatriculation. Trois jours seulement auparavant, l'observatoire LIGO a pour la première fois "" une onde gravitationnelle avec Projet européen Vierge.

Cependant, cette fois, seulement deux secondes après l'événement gravitationnel, le télescope spatial Fermi a détecté un sursaut gamma dans le ciel austral. Presque au même moment, l'observatoire spatial euro-russe INTEGRAL a vu le déclenchement.

Les systèmes d'analyse automatique des données de LIGO ont conclu que la coïncidence de ces deux événements est extrêmement improbable. Au cours de la recherche d'informations supplémentaires, il a été constaté que l'onde gravitationnelle était également vue par le deuxième détecteur LIGO, mais pas enregistrée par l'observatoire gravitationnel européen Virgo. Les astronomes du monde entier étaient "en alerte" - la chasse à la source des ondes gravitationnelles et des sursauts gamma a commencé dans de nombreux observatoires, dont l'Observatoire européen austral et le télescope spatial Hubble.

Modification de la luminosité et de la couleur de la kilonova après l'explosion

La tâche n'était pas facile - les données combinées de LIGO / Virgo, Fermi et INTEGRAL ont permis de délimiter une zone de 35 degrés carrés - il s'agit d'une zone approximative de plusieurs centaines de disques lunaires. Seulement 11 heures plus tard, un petit télescope Swope avec un miroir d'un mètre, situé au Chili, a pris la première photo de la source présumée - elle ressemblait à une étoile très brillante à côté de la galaxie elliptique NGC 4993 dans la constellation de l'Hydre. Au cours des cinq jours suivants, la luminosité de la source a chuté 20 fois et la couleur est progressivement passée du bleu au rouge. Pendant tout ce temps, l'objet a été observé par de nombreux télescopes dans les gammes allant des rayons X à l'infrarouge, jusqu'à ce qu'en septembre la galaxie soit trop proche du Soleil et devienne inaccessible pour l'observation.

Les scientifiques ont conclu que la source de l'épidémie était située dans la galaxie NGC 4993 à une distance d'environ 130 millions d'années-lumière de la Terre. C'est incroyablement proche, jusqu'à présent, les ondes gravitationnelles nous sont parvenues à des distances de milliards d'années-lumière. Grâce à cette proximité, nous avons pu les entendre. La source de l'onde était la fusion de deux objets avec des masses comprises entre 1,1 et 1,6 masse solaire - il ne pouvait s'agir que d'étoiles à neutrons.

Photo de la source des ondes gravitationnelles - NGC 4993, au centre est visible un flash

ALV / VIMOS. ALV / MUSE, MPG / ESO

Le sursaut lui-même a "sonné" pendant très longtemps - environ 100 secondes, la fusion des trous noirs a donné des sursauts d'une fraction de seconde. Une paire d'étoiles à neutrons tournait autour d'un centre de masse commun, perdant progressivement de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles et convergeant. Lorsque la distance entre eux a été réduite à 300 kilomètres, les ondes gravitationnelles sont devenues suffisamment puissantes pour frapper la zone de sensibilité des détecteurs gravitationnels LIGO / Virgo. Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent en un seul objet compact (étoile à neutrons ou trou noir), une puissante explosion de rayonnement gamma se produit.

Les astronomes appellent ces sursauts gamma des sursauts gamma courts ; les télescopes à rayons gamma les enregistrent environ une fois par semaine. Si la nature des GRB longs est plus compréhensible (leurs sources sont des explosions de supernova), il n'y avait pas de consensus sur les sources de sursauts courts. Il y avait une hypothèse qu'ils sont générés par des fusions d'étoiles à neutrons.

Or les scientifiques ont pu confirmer cette hypothèse pour la première fois, car grâce aux ondes gravitationnelles, nous connaissons la masse des composants fusionnés, ce qui prouve qu'il s'agit précisément d'étoiles à neutrons.

« Depuis des décennies, nous soupçonnons que les sursauts gamma courts génèrent des fusions d'étoiles à neutrons. Maintenant, grâce aux données de LIGO et Virgo sur cet événement, nous avons une réponse. Les ondes gravitationnelles nous disent que les objets fusionnés avaient des masses correspondant à des étoiles à neutrons, et le sursaut gamma nous dit que ces objets pourraient difficilement être des trous noirs, car la collision des trous noirs ne devrait pas générer de rayonnement », explique Julie McEnery, scientifique du projet. au Centre Fermi. vols spatiaux NASA nommé d'après Goddard.

De plus, pour la première fois, les astronomes ont reçu la confirmation sans ambiguïté de l'existence d'éruptions de kilons (ou "macrons"), qui sont environ 1000 fois plus puissantes que les éruptions de nova conventionnelles. Les théoriciens ont prédit que les kilonovs pourraient résulter de la fusion d'étoiles à neutrons ou d'une étoile à neutrons et d'un trou noir.

Cela déclenche la synthèse d'éléments lourds basée sur la capture de neutrons par les noyaux (processus r), à la suite de laquelle de nombreux éléments lourds, tels que l'or, le platine ou l'uranium, sont apparus dans l'Univers.

Selon les scientifiques, avec une explosion d'une kilonova, une énorme quantité d'or peut apparaître - jusqu'à dix fois la masse de la lune. Jusqu'à présent, un seul événement a été observé.

Maintenant, les astronomes ont pu observer pour la première fois non seulement la naissance de la kilonova, mais aussi les produits de son "travail". Les spectres obtenus avec les télescopes Hubble et VLT (Very Large Telescope) ont montré la présence de césium, de tellure, d'or, de platine et d'autres éléments lourds formés par la fusion d'étoiles à neutrons.

« Jusqu'à présent, les données que nous avons reçues sont en excellent accord avec la théorie. C'est un triomphe pour les théoriciens, la confirmation de la réalité absolue des événements enregistrés par les observatoires LIGO et Virgo, et une réalisation remarquable de l'ESO, qui a réussi à obtenir de telles observations de la kilonova », explique Stefano Covino, le premier auteur de l'un des les articles dans Astronomie de la nature.

Les scientifiques n'ont pas encore de réponse à la question de savoir ce qui reste après la fusion des étoiles à neutrons - il peut s'agir soit d'un trou noir, soit d'une nouvelle étoile à neutrons, de plus, il n'est pas tout à fait clair pourquoi le sursaut gamma a été relativement faible.

Les ondes gravitationnelles sont des ondes d'oscillations de la géométrie de l'espace-temps, dont l'existence a été prédite par la théorie de la relativité générale. Pour la première fois sur leur détection fiable, la collaboration LIGO en février 2016 - 100 ans après les prédictions d'Einstein. Vous pouvez en savoir plus sur ce que sont les ondes gravitationnelles et comment elles peuvent aider à explorer l'Univers dans nos matériaux spéciaux - "" et ".

Alexandre Voytyuk

MOSCOU, 16 octobre. / TASS /. Les détecteurs LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, USA) et Virgo (un observatoire similaire en Italie) ont enregistré pour la première fois des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons. L'ouverture a été annoncée lundi lors d'une conférence de presse internationale tenue simultanément à Moscou, Washington et plusieurs villes d'autres pays.

"Les scientifiques ont enregistré pour la première fois des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons, et ce phénomène a été observé non seulement sur des interféromètres laser qui enregistrent les ondes gravitationnelles, mais aussi à l'aide d'observatoires spatiaux (INTEGRAL, Fermi) et de télescopes au sol qui enregistrent des ondes électromagnétiques. Au total, ce phénomène a été observé dans environ 70 observatoires terrestres et spatiaux dans le monde, dont le réseau de télescopes robotiques MASTER (Lomonosov Moscow State University), a indiqué le service de presse de l'Université d'État de Moscou.

Quand et comment a été enregistré

La découverte, rapportée lundi par les scientifiques, a été faite le 17 août. Ensuite, les deux détecteurs LIGO ont enregistré un signal gravitationnel, baptisé GW170817. Les informations fournies par le troisième détecteur Virgo ont considérablement amélioré la localisation de l'événement spatial.

Presque au même moment, environ deux secondes après les ondes gravitationnelles, le télescope spatial Fermi de la NASA et le laboratoire international d'astrophysique des rayons gamma / INTEGRAL ont détecté des sursauts de rayons gamma. Dans les jours qui ont suivi, les scientifiques ont enregistré le rayonnement électromagnétique dans d'autres domaines, notamment les rayons X, les ultraviolets, les ondes optiques, infrarouges et radio.

Les signaux des détecteurs LIGO ont montré que les ondes gravitationnelles enregistrées étaient émises par deux objets astrophysiques en orbite l'un par rapport à l'autre et situés à une distance relativement proche - environ 130 millions d'années-lumière - de la Terre. Il s'est avéré que les objets étaient moins massifs que les trous noirs binaires LIGO et Virgo précédemment découverts. Selon les calculs, leurs masses allaient de 1,1 à 1,6 masse solaire, ce qui se situe dans la région des masses d'étoiles à neutrons, les plus petites et les plus denses parmi les étoiles. Leur rayon typique n'est que de 10 à 20 km.

Alors que le signal de la fusion des trous noirs binaires était généralement dans la plage de sensibilité des détecteurs LIGO pendant une fraction de seconde, le signal enregistré le 17 août a duré environ 100 secondes. Environ deux secondes après la fusion des étoiles, il y a eu un sursaut de rayonnement gamma, qui a été enregistré par les télescopes gamma spatiaux.

La détection rapide des ondes gravitationnelles par l'équipe LIGO-Virgo, combinée à la détection des rayons gamma, a permis d'observer des optiques et des radiotélescopes à travers le monde.

Après avoir reçu les coordonnées, plusieurs observatoires ont pu commencer à chercher dans la région du ciel où l'événement aurait eu lieu en quelques heures. Un nouveau point lumineux rappelant nouvelle étoile, a été découvert par des télescopes optiques et, par conséquent, environ 70 observatoires sur terre et dans l'espace ont observé cet événement dans diverses gammes de longueurs d'onde.

Dans les jours qui ont suivi la collision, des rayonnements électromagnétiques ont été enregistrés dans les domaines des rayons X, ultraviolets, optiques, infrarouges et radio.

"Pour la première fois, contrairement aux "fusions solitaires" de trous noirs, un événement "compagnable" a été enregistré non seulement par les détecteurs gravitationnels, mais aussi par les télescopes optiques et à neutrinos. qui fait partie d'un groupe de scientifiques russes qui ont participé dans l'observation du phénomène, sous la direction du professeur du département de physique de l'Université d'État de Moscou Valery Mitrofanov.

Les théoriciens prédisent que lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision, des ondes gravitationnelles et des rayons gamma devraient être émis, ainsi que de puissants jets de matière, accompagnés de rayonnement ondes électromagnétiques dans une large gamme de fréquences.

Le GRB détecté est ce que l'on appelle le GRB court. Auparavant, les scientifiques ne prédisaient que de courts sursauts gamma sont générés lors de la fusion d'étoiles à neutrons, et cela est maintenant confirmé par des observations. Mais malgré le fait que la source du GRB court détecté était l'une des plus proches de la Terre encore visibles, le sursaut lui-même était étonnamment faible pour cette distance. Maintenant, les scientifiques doivent trouver une explication à ce fait.

A la vitesse de la lumière

Au moment de la collision, la majeure partie des deux étoiles à neutrons a fusionné en un seul objet ultra-dense émettant des rayons gamma. Les premières mesures du rayonnement gamma, combinées à la détection des ondes gravitationnelles, appuient la prédiction de la théorie de la relativité générale d'Einstein, à savoir que les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière.

"YouTube / Georgia Tech"

"Dans tous les cas précédents, la fusion des trous noirs était à l'origine des ondes gravitationnelles. Paradoxalement, les trous noirs sont des objets très simples constitués exclusivement d'espace courbe et donc entièrement décrits par les lois bien connues de la relativité générale. En même temps, la structure des étoiles à neutrons et, en particulier, l'équation d'état de la matière à neutrons n'est pas encore connue avec précision. Par conséquent, l'étude des signaux provenant de la fusion des étoiles à neutrons nous permettra d'obtenir une énorme quantité de nouvelles informations sur les propriétés de la matière superdense dans des conditions extrêmes. conditions ", a déclaré le professeur de la Faculté de physique de l'Université d'État de Moscou Farit Khalili, qui faisait également partie du groupe Mitrofanov.

Usine d'éléments lourds

Les théoriciens ont prédit qu'un « kilonova » serait formé à la suite de la fusion. Il s'agit d'un phénomène dans lequel le matériau restant de la collision des étoiles à neutrons brille intensément et est éjecté de la zone de collision loin dans l'espace. Cela crée des processus qui créent des éléments lourds tels que le plomb et l'or. L'observation après la lueur d'une fusion d'étoiles à neutrons permet d'obtenir des informations supplémentaires sur les différentes étapes de cette fusion, sur l'interaction de l'objet formé avec environnement et les processus qui produisent les éléments les plus lourds de l'univers.

"Dans le processus de fusion, la formation d'éléments lourds a été enregistrée. Par conséquent, on peut même parler d'une usine galactique pour la production d'éléments lourds, dont l'or - après tout, c'est ce métal qui intéresse le plus les terriens. Les scientifiques commencent à proposer des modèles qui expliqueraient les paramètres observés de cette fusion », a noté Vyatchanin.

À propos de la collaboration LIGO-LSC

Collaboration scientifique LIGO-LSC (LIGO Scientific Collaboration) rassemble plus de 1200 scientifiques de 100 instituts différents pays... L'observatoire LIGO est construit et exploité par le California and Massachusetts Institute of Technology. Le partenaire de LIGO est la collaboration Virgo, qui emploie 280 scientifiques et ingénieurs européens issus de 20 groupes de recherche. Le détecteur Virgo est situé près de Pise (Italie).

Deux équipes scientifiques de Russie participent aux recherches de LIGO Scientific Collaboration : un groupe de la Faculté de Physique de l'Université de Moscou Université d'État nommé d'après M.V. Lomonosov et le groupe de l'Institut de physique appliquée de l'Académie des sciences de Russie (Nizhny Novgorod). La recherche est soutenue par la Fondation russe pour la recherche fondamentale et la Fondation russe pour la science.

Les détecteurs LIGO en 2015 ont enregistré pour la première fois des ondes gravitationnelles provenant de la collision de trous noirs, et en février 2016, la découverte a été annoncée lors d'une conférence de presse. En 2017, les physiciens américains Rainer Weiss, Kip Thorne et Berry Barish ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs contributions décisives au projet LIGO, ainsi que pour « l'observation des ondes gravitationnelles ».

Ondes gravitationnelles générées lors de la fusion de deux étoiles à neutrons. L'événement a été désigné GW170817. Le sursaut de rayons gamma et l'éruption de kilonova qui ont suivi la fusion ont été observés par environ 70 observatoires au sol et spatiaux, allant de l'ESO à Hubble. En temps réel, les astronomes ont vu le processus de synthèse d'éléments lourds, dont l'or et le platine, prédit par les théoriciens, et ont confirmé l'exactitude des hypothèses sur la nature de mystérieux sursauts gamma courts. Il a également été trouvé sur le lieu de la fusion des étoiles à neutrons. C'est dans la galaxie NGC 4993, 130 millions de sv. l.


Alors que la plupart des scientifiques concentraient leurs efforts supplémentaires sur l'étude des produits directs de la fusion, un groupe d'astrophysiciens américains a tenté de répondre à la question de savoir quel objet s'était formé à la suite d'un accident cosmique. Pour ce faire, ils ont utilisé le télescope Chandra. En analysant les données radiographiques GW170817, les chercheurs ont conclu qu'ils correspondent à un trou noir de masse stellaire.

Aussi récemment dans la revue Nature ont été publiés les résultats d'une autre étude sur GW170817. Les scientifiques ont essayé de trouver une réponse à la question de savoir ce qui a causé certaines des bizarreries de l'épidémie. Par exemple, la plupart des chercheurs ont supposé que la fusion des étoiles à neutrons devrait conduire à la formation de sursauts gamma miniatures - mais cela n'a pas été observé.

Les données du radiotélescope ont indiqué la cause de cette anomalie et d'autres. Le reste des étoiles à neutrons est entouré d'un cocon dense de gaz incandescent, qui est entré en collision avec des faisceaux de plasma éjectés lors de la fusion de ces objets. Cette collision a "excité" le gaz, l'a accéléré à environ 30-50% de la vitesse de la lumière, le faisant briller. L'existence d'un cocon de gaz chaud explique bien de nombreuses caractéristiques de la fusion. Par exemple, dans quel ordre les effets d'un flash seront-ils observés dans différentes gammes du spectre électromagnétique, ainsi que le fait que cet objet deviendra de plus en plus brillant dans les ondes radio.

Le 16 octobre, des astronomes ont rapporté que le 17 août, pour la première fois dans l'histoire, ils avaient enregistré des ondes gravitationnelles résultant de la fusion de deux étoiles à neutrons... Les observations ont été réalisées par 70 groupes de scientifiques, et l'un des articles sur cet événement a été co-écrit par 4 600 astronomes, soit plus d'un tiers de tous les astronomes du monde. Le site N+1 a expliqué dans un long article pourquoi il s'agit d'une découverte importante et à quelles questions elle permettra de répondre.

Comment tout cela s'est-il passé ?

Le 17 août 2017, à 15:41:04 heure de Moscou, le détecteur de l'observatoire LIGO à Hanford (Washington) a entendu une longue onde gravitationnelle record - le signal a duré une centaine de secondes. C'est très grand écart temps - à titre de comparaison, les quatre précédentes fixations d'ondes gravitationnelles n'ont pas duré plus de trois secondes. Le programme d'alerte automatique s'est déclenché. Les astronomes ont vérifié les données : il s'est avéré que le deuxième détecteur LIGO (en Louisiane) a également enregistré une onde, mais le déclenchement automatique n'a pas fonctionné en raison d'un bruit à court terme.

1,7 seconde plus tard que le détecteur à Hanford, indépendamment de cela, déclenché système automatique les télescopes Fermi et Integral, des observatoires gamma dans l'espace, observant certains des événements les plus énergétiques de l'Univers. Les instruments ont détecté un flash lumineux et ont approximativement déterminé ses coordonnées. Contrairement au signal gravitationnel, l'éruption n'a duré que deux secondes. Il est intéressant de noter que l'"Integral" russo-européen a remarqué le sursaut de rayons gamma avec "vision périphérique" - les "cristaux protecteurs" du détecteur principal. Cependant, cela n'a pas empêché la triangulation du signal.

Environ une heure plus tard, LIGO a envoyé des informations sur les coordonnées possibles de la source des ondes gravitationnelles - il a été possible d'établir cette zone grâce au fait que le signal a été remarqué par le détecteur Virgo. D'après les retards avec lesquels les détecteurs ont commencé à recevoir le signal, il est devenu clair que, très probablement, la source est située dans l'hémisphère sud: d'abord, le signal a atteint la Vierge et seulement ensuite, 22 millisecondes plus tard, a été enregistré par l'observatoire LIGO . La zone de recherche initiale recommandée était de 28 degrés carrés, ce qui équivaut à des centaines de zones de la lune.

L'étape suivante consistait à combiner les données des observatoires gamma et gravitationnels et à rechercher la source exacte de rayonnement. Étant donné qu'aucun des télescopes à rayons gamma, et encore moins les télescopes gravitationnels, ne permettaient de trouver le point requis avec une grande précision, les physiciens ont lancé plusieurs recherches optiques à la fois. L'un d'eux - avec l'aide du système robotique de télescopes "MASTER", développé au GAISH MSU.

Observation de la kilonova de l'Observatoire européen australObservatoire européen austral (ESO)

Parmi des milliers de candidats possibles, le télescope mètre chilien Swope a réussi à détecter le flash souhaité - près de 11 heures après les ondes gravitationnelles. Les astronomes ont enregistré un nouveau point lumineux dans la galaxie NGC 4993 dans la constellation de l'Hydre, sa luminosité ne dépassait pas 17 magnitude. Un tel objet est tout à fait accessible pour l'observation avec des télescopes semi-professionnels.

Environ une heure plus tard, indépendamment de Swope, quatre autres observatoires, dont le télescope argentin du réseau MASTER, ont trouvé la source. Après cela, une campagne d'observation à grande échelle a commencé, qui a été rejointe par les télescopes de l'Observatoire d'Europe du Sud, Hubble, Chandra, le réseau de radiotélescopes VLA et de nombreux autres instruments - au total, plus de 70 groupes de scientifiques ont observé le développement de événements. Après neuf jours, les astronomes ont réussi à obtenir une image en Gamme de rayons X, et après 16 jours - en radiofréquence. Malheureusement, après un certain temps, le Soleil s'est approché de la galaxie et en septembre les observations sont devenues impossibles.

Qu'est-ce qui a causé l'explosion ?

Un tel modèle d'explosion caractéristique dans de nombreuses gammes électromagnétiques a été prédit et décrit il y a longtemps. Elle correspond à la collision de deux étoiles à neutrons - des objets ultra-compacts constitués de matière à neutrons.

Selon les scientifiques, la masse des étoiles à neutrons était de 1,1 et 1,6 masse solaire (la masse totale a été déterminée de manière relativement précise - environ 2,7 masses solaires). Les premières ondes gravitationnelles sont apparues lorsque la distance entre les objets était de 300 kilomètres.

Une grande surprise a été la faible distance entre ce système et la Terre - environ 130 millions d'années-lumière. A titre de comparaison, ce n'est que 50 fois plus loin que de la Terre à la nébuleuse d'Andromède, et presque un ordre de grandeur inférieur à la distance de notre planète aux trous noirs, dont la collision a été enregistrée plus tôt par LIGO et Virgo. De plus, la collision était la source la plus proche d'un GRB court vers la Terre.

Les étoiles à neutrons binaires sont connues depuis 1974 - l'un de ces systèmes a été découvert par les lauréats du prix Nobel Russell Hals et Joseph Taylor. Cependant, jusqu'à présent, toutes les étoiles à neutrons binaires connues se trouvaient dans notre Galaxie, et la stabilité de leurs orbites était suffisante pour qu'elles n'entrent pas en collision dans le prochain million d'années. Une nouvelle paire d'étoiles s'est tellement approchée que l'interaction a commencé et le processus de transfert de matière a commencé à se développer

Collision de deux étoiles à neutrons. Animation Nasa

L'événement a été nommé kilonova. Littéralement, cela signifie que la luminosité de l'éruption était environ mille fois plus puissante que les éruptions typiques des nouvelles étoiles - systèmes binaires, dans lequel le compagnon compact tire la matière sur lui-même.

Qu'est-ce que tout cela signifie?

Le spectre complet des données collectées permet déjà aux scientifiques d'appeler l'événement la pierre angulaire de la future astronomie des ondes gravitationnelles. Sur la base des résultats du traitement des données, environ 30 articles ont été écrits dans de grandes revues en deux mois : sept dans chaque La nature et Science ainsi que travailler dans Lettres de revues astrophysiques et autres publications scientifiques. L'un de ces articles a été co-écrit par 4 600 astronomes issus de diverses collaborations, soit plus d'un tiers de tous les astronomes du monde.

Voici les questions clés que les scientifiques ont vraiment pu poser pour la première fois.

Qu'est-ce qui déclenche les GRB courts ?

Les sursauts gamma sont parmi les phénomènes les plus énergétiques de l'univers. La puissance d'un tel sursaut est suffisante pour éjecter autant d'énergie dans l'espace environnant en quelques secondes que le Soleil en génère en 10 millions d'années. Il existe des GRB courts et longs ; on considère que ce sont des phénomènes qui sont différents dans leur mécanisme. Par exemple, l'effondrement d'étoiles massives serait à l'origine de longs sursauts.

On pense que les fusions d'étoiles à neutrons sont à l'origine des GRB courts. Cependant, jusqu'à présent, il n'y a eu aucune confirmation directe de cela. De nouvelles observations sont la preuve la plus solide à ce jour de l'existence de ce mécanisme.

D'où viennent l'or et les autres éléments lourds dans l'Univers ?

La nucléosynthèse - la fusion des noyaux dans les étoiles - vous permet d'obtenir une vaste gamme d'éléments chimiques. Pour les noyaux légers, les réactions de fusion se déroulent avec libération d'énergie et sont énergétiquement favorables en général. Pour les éléments dont la masse est proche de celle du fer, le gain énergétique n'est plus aussi important. Pour cette raison, les éléments plus lourds que le fer ne se forment presque pas dans les étoiles - à l'exception des explosions de supernova. Mais ils sont totalement insuffisants pour expliquer l'abondance d'or, de lanthanides, d'uranium et d'autres éléments lourds dans l'Univers.

En 1989, des physiciens ont suggéré que la r-nucléosynthèse dans les fusions d'étoiles à neutrons pourrait être responsable de cela. Vous pouvez en savoir plus à ce sujet dans le blog de l'astrophysicien Marat Musin. Jusqu'à présent, ce processus n'était connu qu'en théorie.

Des études spectrales du nouvel événement ont montré des traces claires de la naissance d'éléments lourds. Ainsi, grâce aux spectromètres du Very Large Telescope (VLT) et de Hubble, les astronomes ont découvert la présence de césium, de tellure, d'or et de platine. Il existe également des preuves de la formation de xénon, d'iode et d'antimoine. Les physiciens estiment que la collision a éjecté une masse totale d'éléments légers et lourds équivalente à 40 fois la masse de Jupiter. L'or seul, selon les modèles théoriques, est formé d'environ 10 fois la masse de la lune.

A quoi est égale la constante de Hubble ?

Expérimentalement, le taux d'expansion de l'Univers peut être estimé à l'aide de « bougies standard » spéciales. Ce sont des objets pour lesquels la luminosité absolue est connue, ce qui signifie que le rapport entre la luminosité absolue et visible peut être utilisé pour déterminer à quelle distance ils se trouvent. Le taux d'expansion à une distance donnée de l'observateur est déterminé par le décalage Doppler, par exemple, des raies de l'hydrogène. Le rôle des "bougies standard" est joué, par exemple, par les supernovae de type Ia ("explosions" de naines blanches) - d'ailleurs, c'est sur leur échantillon que l'expansion de l'Univers a été prouvée.

Observation de la fusion de deux étoiles à neutrons depuis le télescope de l'Observatoire de Paranal (Chili) European Southern Observatory (ESO)

La constante de Hubble définit une dépendance linéaire du taux d'expansion de l'Univers à une distance donnée. Chaque détermination indépendante de sa valeur permet de vérifier la validité de la cosmologie adoptée.

Les sources d'ondes gravitationnelles sont également des « bougies standard » (ou, comme on les appelle dans l'article, des « sirènes »). De par la nature des ondes gravitationnelles qu'elles créent, vous pouvez déterminer indépendamment la distance qui les sépare. C'est ce dont les astronomes ont profité dans l'un des nouveaux travaux. Le résultat a coïncidé avec d'autres mesures indépendantes - basées sur le CMB et l'observation d'objets à lentille gravitationnelle. La constante est approximativement égale à 62-82 kilomètres par seconde par mégaparsec. Cela signifie que deux galaxies distantes de 3,2 millions d'années-lumière, en moyenne, se dispersent à une vitesse de 70 kilomètres par seconde. De nouvelles fusions d'étoiles à neutrons contribueront à augmenter la précision de cette estimation.

Comment fonctionne la gravité ?

La relativité générale, généralement acceptée aujourd'hui, prédit avec précision le comportement des ondes gravitationnelles. Cependant, la théorie quantique de la gravité n'a pas encore été développée. Il existe plusieurs hypothèses sur la façon dont cela peut être organisé - ce sont des constructions théoriques avec un grand nombre de paramètres inconnus. L'observation simultanée du rayonnement électromagnétique et des ondes gravitationnelles permettra de clarifier et de resserrer les limites de ces paramètres, ainsi que d'écarter certaines hypothèses.

Par exemple, le fait que les ondes gravitationnelles soient arrivées 1,7 seconde avant les rayons gamma confirme qu'elles voyagent vraiment à la vitesse de la lumière. De plus, la valeur même du délai peut être utilisée pour tester le principe d'équivalence qui sous-tend la relativité générale.

Comment sont disposées les étoiles à neutrons ?

Nous ne connaissons la structure des étoiles à neutrons qu'en termes généraux. Ils ont une croûte d'éléments lourds et un noyau de neutrons - mais, par exemple, nous ne connaissons toujours pas l'équation d'état de la matière neutronique dans le noyau. Et de cela dépend, par exemple, la réponse à une question aussi simple : qu'est-ce qui s'est exactement formé dans la collision observée par les astronomes ?

Visualisation des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons

Comme les naines blanches, les étoiles à neutrons ont un concept de masse critique, au-dessus duquel l'effondrement peut commencer. Il existe plusieurs scénarios selon que la masse du nouvel objet a dépassé ou non la masse critique. la poursuite du développementévénements. Si la masse totale s'avère trop importante, l'objet s'effondrera immédiatement dans un trou noir. Si la masse est légèrement inférieure, une étoile à neutrons à rotation rapide hors d'équilibre peut apparaître, qui, cependant, s'effondre également avec le temps en un trou noir. Option alternative- la formation d'un magnétar, un trou à neutrons en rotation rapide avec un champ magnétique énorme. Apparemment, le magnétar ne s'est pas formé lors de la collision - le rayonnement X dur qui l'accompagne n'a pas été détecté.

Selon Vladimir Lipunov, responsable du réseau MASTER, les données disponibles sont insuffisantes pour savoir exactement ce qui s'est formé à la suite de la fusion. Cependant, les astronomes ont déjà un certain nombre de théories qui seront publiées dans les prochains jours. Peut-être qu'à partir de futures fusions d'étoiles à neutrons, il sera possible de déterminer la masse critique souhaitée.

Vladimir Korolev, N+1

Droit d'auteur de l'image Getty Images Légende Le phénomène a été observé à l'aide d'observatoires spatiaux et de télescopes au sol.

Les scientifiques ont pu enregistrer pour la première fois des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons.

Les ondes ont été enregistrées par les détecteurs LIGO aux États-Unis et l'observatoire italien de la Vierge.

Selon les chercheurs, à la suite de telles fusions, des éléments tels que le platine et l'or apparaissent dans l'Univers.

La découverte a été faite le 17 août. Deux détecteurs aux États-Unis ont enregistré le signal gravitationnel GW170817.

Les données du troisième détecteur en Italie ont permis de clarifier la localisation de l'événement spatial.

"C'est ce que nous attendions tous", a déclaré David Reitze, directeur exécutif du LIGO Lab, commentant la découverte.

La fusion a eu lieu dans la galaxie NGC4993, située à environ 130 millions d'années-lumière de la Terre dans la constellation de l'Hydre.

Les masses des étoiles étaient comprises entre 1,1 et 1,6 masse solaire, ce qui tombe dans la région des masses d'étoiles à neutrons. Leur rayon est de 10 à 20 km.

Les étoiles sont appelées étoiles à neutrons car lors du processus de contraction gravitationnelle, les protons et les électrons à l'intérieur de l'étoile fusionnent, ce qui donne un objet composé presque exclusivement de neutrons.

De tels objets ont une densité incroyable - une cuillère à café de matière pèsera environ un milliard de tonnes.

Droit d'auteur de l'image UNIVERSITÉ D'ÉTAT NSF / LIGO / SONOMA Légende La fusion des étoiles à neutrons dans l'esprit des scientifiques ressemble à ceci (sur la photo - un modèle informatique)

Le laboratoire LIGO à Livingston, en Louisiane, est un petit bâtiment avec deux bras d'interféromètre s'étendant à angle droit. À l'intérieur de chacun d'eux se trouve un faisceau laser, fixant les changements de longueur desquels les ondes gravitationnelles peuvent être détectées.

Le détecteur LIGO, situé au milieu de vastes forêts, a été créé afin de détecter les ondes gravitationnelles qui génèrent des cataclysmes cosmiques à grande échelle tels que la fusion d'étoiles à neutrons.

Il y a quatre ans, le détecteur a été amélioré, depuis lors, il a détecté quatre fois des collisions de trous noirs.

Les ondes gravitationnelles, qui surviennent à la suite d'événements à grande échelle dans l'espace, conduisent à l'apparition de courbures spatio-temporelles, quelque peu similaires aux ondulations dans l'eau.

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Découverte de l'année : à quoi ressemble une collision d'étoiles à neutrons ?

Ils étirent et compriment toute la matière à travers laquelle ils passent, dans une mesure presque insignifiante - moins que la largeur d'un atome.

"Je suis ravi de ce que nous avons fait. J'ai commencé à travailler sur les ondes gravitationnelles à Glasgow alors que j'étais encore étudiant. De nombreuses années se sont écoulées depuis lors, il y a eu des hauts et des bas, mais maintenant tout s'est bien passé", déclare le professeur de LIGO. Norn Robertson.

"Au cours des dernières années, nous avons d'abord enregistré la fusion de" trous noirs ", puis - les étoiles à neutrons, à mon avis, nous ouvrons un nouveau champ de recherche", ajoute-t-elle.

• L'existence d'ondes gravitationnelles a été prédite dans le cadre de la théorie de la relativité générale d'Einstein
• Il a fallu des décennies pour développer la technologie qui a enregistré les vagues
• Les ondes gravitationnelles sont des distorsions dans le temps et dans l'espace qui se produisent à la suite d'événements à grande échelle dans l'espace.
• La matière en accélération rapide génère des ondes gravitationnelles qui se déplacent à la vitesse de la lumière
• Parmi les sources d'ondes visibles se trouvent les fusions d'étoiles à neutrons et de "trous noirs"
• La recherche sur les vagues ouvre un champ de recherche fondamentalement nouveau

Les scientifiques pensaient que la libération d'énergie à cette échelle conduisait à la création d'éléments rares tels que l'or et le platine.

Selon le Dr Keith Maguire de l'Université Queen's de Belfast, qui a analysé les premières poussées de fusion, cette théorie a maintenant été prouvée.

«Avec les télescopes les plus puissants au monde, nous avons découvert que cette fusion d'étoiles à neutrons était une éjection à grande vitesse de produits chimiques lourds tels que l'or et le platine dans l'espace», explique Maguire.

"Ces nouveaux résultats ont contribué à faire des progrès significatifs vers la résolution d'un débat de longue date sur la provenance des éléments plus lourds que le fer dans le tableau périodique", ajoute-t-elle.

De nouvelles frontières

L'observation de la collision d'étoiles à neutrons a également confirmé la théorie selon laquelle elle s'accompagne de courtes rafales de rayons gamma.

En comparant les informations collectées sur les ondes gravitationnelles collisionnelles avec les données sur le rayonnement lumineux collectées à l'aide de télescopes, les scientifiques ont utilisé une méthode inédite pour mesurer le taux d'expansion de l'univers.

L'un des physiciens théoriciens les plus influents de la planète, le professeur Stephen Hawking, dans une interview à la BBC, a qualifié cela de "premier échelon de l'échelle" vers une nouvelle façon de mesurer les distances dans l'Univers.

"La nouvelle façon d'observer l'univers a tendance à conduire à des surprises, dont beaucoup sont impossibles à prévoir. Nous nous frottons toujours les yeux, ou plutôt, nettoyons nos oreilles, après avoir entendu pour la première fois le son des ondes gravitationnelles", a déclaré Hawking.

Droit d'auteur de l'image NSF Légende Complexe de l'observatoire LIGO à Livingston. Du bâtiment partent des "épaules" - des tuyaux à l'intérieur desquels passent des faisceaux laser sous vide

Aujourd'hui, les équipements du complexe LIGO sont en cours de modernisation. Dans un an, il deviendra deux fois plus sensible et pourra balayer un segment de l'espace huit fois plus grand que l'actuel.

Les scientifiques pensent qu'à l'avenir, observer la collision de "trous noirs" et d'étoiles à neutrons deviendra monnaie courante. Ils espèrent également apprendre à observer des objets qu'ils ne peuvent même pas imaginer aujourd'hui, et commencer une nouvelle ère en astronomie.