Egy neutroncsillag és egy fekete lyuk egyesülése. A tudósok először fogtak hullámokat egy neutroncsillag egyesüléséből. Mi ennek a felfedezésnek a jelentősége
ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
A tudósok a történelem során először rögzítettek két neutroncsillag egyesüléséből származó gravitációs hullámokat - szupersűrű objektumokat, amelyek tömege akkora, mint a mi Napunk és akkora, mint Moszkva. A gamma-kitörést és az azt követő kilonova-villanást mintegy 70 földi és űrobszervatórium figyelte meg – ők láthatták a teoretikusok által megjósolt nehéz elemek, köztük az arany és a platina szintézisét, és megerősítették a természetre vonatkozó hipotézisek helyességét. A titokzatos rövid gamma-kitörésekről az együttműködés sajtószolgálata számol be: LIGO/Virgo, European Southern Observatory és Los Cumbres Observatory. A megfigyelések eredményei fényt deríthetnek az univerzumra és az univerzumban.
2017. augusztus 17-én reggel (keleti parti idő szerint reggel 8 óra 41 perckor, amikor Moszkvában 15 óra 41 perc volt) a LIGO gravitációs hullámok megfigyelőközpontja két detektorának egyik automata rendszere gravitációs hullám érkezését regisztrálta. az űrből. A jel GW170817 jelzést kapott, ez már az ötödik rögzítési eset volt gravitációs hullámok 2015 óta, amikor először regisztrálták őket. Mindössze három nappal azelőtt, a LIGO obszervatórium először "" gravitációs hullámmal együtt európai projekt Szűz.
A Fermi űrteleszkóp azonban ezúttal, mindössze két másodperccel a gravitációs esemény után gammasugárzás felvillanását rögzítette a déli égbolton. Szinte ugyanabban a pillanatban látta a fáklyát az INTEGRAL európai-orosz űrobszervatórium.
A LIGO obszervatórium automatikus adatelemző rendszerei arra a következtetésre jutottak, hogy e két esemény egybeesése rendkívül valószínűtlen. A további információk keresése során kiderült, hogy a második LIGO detektor is látta a gravitációs hullámot, de nem rögzítette a Virgo európai gravitációs obszervatóriumot. A csillagászokat szerte a világon "riadókészültségbe" helyezték, mivel számos obszervatórium, köztük az Európai Déli Obszervatórium és a Hubble Űrteleszkóp vadászni kezdett a gravitációs hullámok és a gamma-kitörés forrása után.
A kilonova fényerejének és színének változása a robbanás után
A feladat nem volt könnyű - a LIGO / Virgo, a Fermi és az INTEGRAL egyesített adatai lehetővé tették egy 35 négyzetfokos terület körülhatárolását - ez több száz holdkorong hozzávetőleges területe. Mindössze 11 órával később egy Chilében található, méteres tükrös kis Swope teleszkóp készítette az első képet az állítólagos forrásról – úgy nézett ki, mint egy nagyon fényes csillag az NGC 4993 elliptikus galaxis mellett a Hidra csillagképben. A következő öt nap során a forrás fényereje 20-szorosára csökkent, és a szín fokozatosan kékről pirosra vált. Ezalatt az objektumot számos teleszkóp figyelte a röntgentől az infravörösig, mígnem szeptemberben a galaxis túl közel került a Naphoz, és megfigyelhetetlenné vált.
A tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a járvány forrása az NGC 4993 galaxisban volt, körülbelül 130 millió fényévnyi távolságra a Földtől. Ez hihetetlenül közel van, eddig több milliárd fényév távolságból érkeztek hozzánk a gravitációs hullámok. Ennek a közelségnek köszönhetően hallhattuk őket. A hullám forrása két, 1,1–1,6 naptömegű objektum egyesülése volt – ezek csak neutroncsillagok lehetnek.
Fénykép a gravitációs hullámok forrásáról - NGC 4993, a közepén egy vaku megkülönböztethető
VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO
Maga a kitörés nagyon sokáig "hangzott" - körülbelül 100 másodpercig, a fekete lyukak egyesülései a másodperc töredékéig tartó kitöréseket adtak. Egy közös tömegközéppont körül egy pár neutroncsillag kering, fokozatosan elveszítve energiáját gravitációs hullámok formájában és közeledve. Amikor a köztük lévő távolság 300 kilométerre csökkent, a gravitációs hullámok elég erősek lettek ahhoz, hogy a LIGO/Virgo gravitációs detektorok érzékenységi zónájába eshessenek. Abban a pillanatban, amikor két neutroncsillag egy kompakt objektummá (neutroncsillag vagy fekete lyuk) egyesül, erőteljes gammasugárzás villan fel.
A csillagászok az ilyen gamma-kitöréseket rövid gamma-kitöréseknek nevezik, a gamma-teleszkópok körülbelül hetente egyszer rögzítik őket. Ha a hosszú gamma-kitörések természete érthetőbb (forrásuk szupernóva-robbanások), akkor a rövid kitörések forrásairól nem volt egyetértés. Volt egy hipotézis, hogy neutroncsillagok egyesüléséből jönnek létre.
A tudósoknak most sikerült először megerősíteniük ezt a hipotézist, mivel a gravitációs hullámoknak köszönhetően tudjuk az egyesült komponensek tömegét, ami azt bizonyítja, hogy ezek neutroncsillagok.
„Évtizedek óta azt gyanítottuk, hogy a rövid gamma-kitörések neutroncsillagok egyesüléséhez vezetnek. Most, hála a LIGO és a Virgo adatoknak ezen az eseményen, megvan a válasz. A gravitációs hullámok azt mondják, hogy az egyesített objektumok tömege megfelel a neutroncsillagoknak, a gamma-villanás pedig azt, hogy ezek az objektumok aligha lehetnek fekete lyukak, mivel a fekete lyukak ütközésének nem szabad sugárzást generálnia” – mondja Julie McEnery, a projekt munkatársa. a Fermi Központban űrrepülések NASA Goddard.
Ezenkívül a csillagászok most először kaptak egyértelmű megerősítést a kilon (vagy „macron”) fáklyák létezésére, amelyek körülbelül 1000-szer erősebbek, mint a közönséges nova-fáklyák. A teoretikusok azt jósolták, hogy kilonovák keletkezhetnek neutroncsillagok vagy neutroncsillagok és fekete lyukak egyesülésével.
Ezzel beindul a nehéz elemek szintézisének folyamata, amely a neutronok atommagok általi befogásán alapul (r-folyamat), melynek eredményeként számos nehéz elem, például arany, platina vagy urán jelent meg az Univerzumban.
A tudósok szerint egy kilonova egyetlen robbanásával hatalmas mennyiségű arany jelenhet meg - akár tíz holdtömegig. Eddig csak egyszer figyeltek meg olyan eseményt, amely .
A csillagászok most először figyelhették meg nemcsak a kilonova születését, hanem „művének” termékeit is. A Hubble és VLT (Very Large Telescope) teleszkópokkal kapott spektrumok cézium, tellúr, arany, platina és más nehéz elemek jelenlétét mutatták ki, amelyek a neutroncsillagok egyesülése során keletkeztek.
„Eddig az általunk megszerzett adatok kiválóan egyeznek az elmélettel. Ez a teoretikusok diadala, a LIGO és a Virgo obszervatóriumok által rögzített események abszolút valóságának megerősítése, valamint az ESO figyelemre méltó eredménye, amely képes volt ilyen megfigyeléseket szerezni a kilonováról” – mondja Stefano Covino, az első szerző. az egyik papírról természet csillagászat.
A tudósoknak még nincs válaszuk arra a kérdésre, hogy mi marad a neutroncsillagok egyesülése után - lehet fekete lyuk vagy új neutroncsillag, ráadásul az sem teljesen világos, hogy miért derült ki a gamma-kitörés viszonylag gyenge legyen.
A gravitációs hullámok a tér-idő geometriában fellépő ingadozások hullámai, amelyek létezését az általános relativitáselmélet jósolta meg. Első alkalommal a megbízható észlelésükről, a LIGO együttműködésről 2016 februárjában – 100 évvel Einstein jóslatai után. Speciális anyagainkban - "" és " - olvashat bővebben arról, hogy mik azok a gravitációs hullámok, és hogyan segíthetik az Univerzum felfedezését.
Alexander Voytyuk
MOSZKVA, október 16. /TASZ/. A LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, USA) és a Virgo (egy hasonló olaszországi obszervatórium) detektorok először regisztráltak két neutroncsillag egyesüléséből származó gravitációs hullámokat. A megnyitót hétfőn jelentették be egy nemzetközi sajtótájékoztatón, amelyet egyidejűleg Moszkvában, Washingtonban és más országok számos városában tartottak.
"A tudósok először rögzítettek gravitációs hullámokat két neutroncsillag egyesüléséből, és ezt a jelenséget nemcsak a gravitációs hullámokat rögzítő lézerinterferométereken, hanem űrobszervatóriumok (INTEGRAL, Fermi) és földi teleszkópok segítségével is megfigyelték. Összefoglalva, ezt a jelenséget mintegy 70 földi és űrobszervatóriumban figyelték meg szerte a világon, beleértve a MASTER (Lomonoszov Moszkvai Állami Egyetem) robotteleszkópok hálózatát" – áll a Moszkvai Állami Egyetem sajtószolgálatának közleményében.
Mikor és hogyan regisztráltál?
A felfedezés, amelyről a tudósok hétfőn számoltak be, augusztus 17-én történt. Ezután mindkét LIGO detektor gravitációs jelet regisztrált, GW170817 néven. A harmadik Virgo detektor által szolgáltatott információk lehetővé tették az űresemény lokalizációjának jelentős javítását.
Szinte ugyanabban az időben, körülbelül két másodperccel a gravitációs hullámok után, a NASA Fermi Gamma-ray Űrteleszkópja és az INTERNational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL Orbital Observatory gammasugárzás kitöréseit észlelte. A következő napokban a tudósok más tartományban regisztrálták az elektromágneses sugárzást, beleértve a röntgen-, ultraibolya-, optikai, infravörös és rádióhullámokat.
A LIGO detektor jelei azt mutatták, hogy a regisztrált gravitációs hullámokat két, egymáshoz képest forgó asztrofizikai objektum bocsátotta ki, amelyek a Földtől viszonylag közel - mintegy 130 millió fényévnyire - helyezkednek el. Kiderült, hogy az objektumok kisebb tömegűek, mint a LIGO és a Virgo által korábban felfedezett bináris fekete lyukak. A számítások szerint tömegük 1,1-1,6 naptömeg tartományba esik, ami a neutroncsillagok tömegtartományába esik, a csillagok közül a legkisebb és legsűrűbb. Tipikus sugáruk mindössze 10-20 km.
Míg a fekete lyuk binárisok egyesüléséből származó jel általában a LIGO detektorok érzékenységi tartományán belül volt a másodperc töredékéig, az augusztus 17-én rögzített jel körülbelül 100 másodpercig tartott. Körülbelül két másodperccel a csillagok egyesülése után gamma-sugárzás tört ki, amelyet űr-gamma-teleszkópok regisztráltak.
A LIGO-Virgo csapatának a gravitációs hullámok gyors észlelése a gammasugárzás észlelésével kombinálva lehetővé tette az optikai és rádióteleszkópokkal történő megfigyelést szerte a világon.
A koordináták kézhezvétele után több csillagvizsgáló néhány órán belül megkezdhette a kutatást az égbolt azon részén, ahol az esemény feltételezhetően bekövetkezett. Egy új fénypont, amelyre emlékeztet új csillag, optikai teleszkópok észlelték, és ennek eredményeként mintegy 70 csillagvizsgáló a földön és az űrben figyelte meg ezt az eseményt különböző hullámhossz-tartományokban.
Az ütközést követő napokban az elektromágneses sugárzást röntgen, ultraibolya, optikai, infravörös és rádióhullám-tartományban rögzítették.
"A fekete lyukak "magányos" egyesüléseivel ellentétben most először nemcsak gravitációs detektorok, hanem optikai és neutrínó teleszkópok is regisztráltak "társadalmi" eseményt. Ez az első ilyen megfigyelési kör egyetlen esemény körül. "- mondta Szergej Vjatcsanin, a Moszkvai Állami Egyetem Fizikai Karának professzora, aki a jelenség megfigyelésében részt vett orosz tudósok egy csoportjának tagja, amelyet Valerij Mitrofanov, a Moszkvai Állami Egyetem Fizikai Karának professzora vezetett. .
A teoretikusok azt jósolják, hogy amikor neutroncsillagok ütköznek, gravitációs hullámokat és gamma-sugarakat, valamint erőteljes anyagsugarakat kell kibocsátani sugárzással kísérve. elektromágneses hullámok széles frekvencia tartományban.
Az észlelt gamma-kitörés az úgynevezett rövid gamma-kitörés. Korábban a tudósok csak azt jósolták, hogy a neutroncsillagok egyesülése során rövid gamma-kitörések keletkeztek, most pedig ezt a megfigyelések is megerősítik. Ám annak ellenére, hogy az észlelt rövid gamma-kitörés forrása a Földhöz eddig látható egyik legközelebbi volt, maga a kitörés ekkora távolságra váratlanul gyenge volt. A tudósoknak most magyarázatot kell találniuk erre a tényre.
Fénysebességgel
Az ütközés pillanatában a két neutroncsillag nagy része egy ultrasűrű, gamma-sugarakat kibocsátó tárggyá egyesült. A gammasugárzás első mérései a gravitációs hullámok észlelésével kombinálva megerősítik Einstein általános relativitáselméletének előrejelzését, miszerint a gravitációs hullámok fénysebességgel terjednek.
"YouTube/Georgia Tech"
"Minden korábbi esetben az összeolvadó fekete lyukak voltak a gravitációs hullámok forrásai. Paradox módon a fekete lyukak nagyon egyszerű objektumok, amelyek kizárólag görbült térből állnak, és ezért teljesen leírják az általános relativitáselmélet jól ismert törvényei. Ugyanakkor A neutroncsillagok szerkezete és különösen a neutronanyag állapotegyenlete még mindig nem ismert pontosan, ezért az egyesülő neutroncsillagok jeleinek vizsgálata hatalmas mennyiségű új információt szolgáltat majd a szupersűrű anyag extrém körülmények közötti tulajdonságairól is. körülmények között” – mondta Farit Khalili, a Moszkvai Állami Egyetem Fizikai Karának professzora, aki szintén a Mitrofanov-csoport tagja.
Nehézelemgyár
A teoretikusok azt jósolták, hogy az egyesülés eredménye "kilonova" lesz. Ez az a jelenség, amikor a neutroncsillag ütközéséből visszamaradt anyag fényesen világít, és az ütközési tartományból messzire kilökődik az űrbe. Ez olyan folyamatokat hoz létre, amelyek nehéz elemeket, például ólmot és aranyat hoznak létre. A neutroncsillagok izzás utáni egyesülésének megfigyelése lehetővé teszi további információk megszerzését az egyesülés különböző szakaszairól, a kialakult objektum kölcsönhatásáról környezetés azokról a folyamatokról, amelyek a világegyetem legnehezebb elemeit termelik.
"Az egyesülés során nehéz elemek képződését rögzítették. Ezért akár egy galaktikus gyárról is beszélhetünk nehéz elemek, köztük arany előállítására – elvégre ez a fém érdekli leginkább a földlakókat. A tudósok kezdik javasolni modellek, amelyek megmagyarázzák ennek az egyesülésnek a megfigyelt paramétereit” – jegyezte meg Vjatcsanin.
A LIGO-LSC együttműködésről
Tudományos együttműködés A LIGO-LSC (LIGO Scientific Collaboration) több mint 1200 tudóst egyesít 100 intézetből különböző országokban. A LIGO Obszervatóriumot a California Institute of Technology és a Massachusetts Institute of Technology építi és üzemelteti. A LIGO partnere a Virgo együttműködés, amely 20 kutatócsoport 280 európai tudósát és mérnökét foglalkoztatja. A Virgo detektor Pisa (Olaszország) közelében található.
Két oroszországi tudományos csapat vesz részt a LIGO Tudományos Együttműködési kutatásában: a Moszkvai Fizikai Kar egy csoportja állami Egyetem M.V.-ről nevezték el. Lomonoszov és az Orosz Tudományos Akadémia (Nyizsnyij Novgorod) Alkalmazott Fizikai Intézetének egy csoportja. A kutatást az Orosz Alapkutatási Alapítvány és az Orosz Tudományos Alapítvány támogatja.
A LIGO detektorok 2015-ben regisztráltak először fekete lyukak ütközéséből származó gravitációs hullámokat, 2016 februárjában pedig sajtótájékoztatón jelentették be a felfedezést. 2017-ben a fizikai Nobel-díjat Rainer Weiss, Kip Thorne és Berry Barish amerikai fizikusok kapták a LIGO-projekthez való döntő hozzájárulásukért, valamint a "gravitációs hullámok megfigyeléséért".
Két neutroncsillag egyesülése során keletkező gravitációs hullámok. Az esemény neve GW170817. Az egyesülést követő gamma-kitörést és kilonova-robbanást mintegy 70 földi és űrobszervatórium figyelte meg, az ESO-tól a Hubble-ig. A csillagászok valós időben látták a teoretikusok által megjósolt nehéz elemek, köztük az arany és a platina szintézisének folyamatát, és megerősítették a titokzatos rövid gamma-kitörések természetére vonatkozó hipotézisek helyességét. Azt is megállapították, hogy megközelítőleg a neutroncsillagok egyesülésének helye. A galaxisban van NGC 4993, 130 millió fényévre tőlünk. l.
Míg a legtöbb tudós jövőbeli erőfeszítéseit az egyesülés közvetlen termékeinek tanulmányozására összpontosította, amerikai asztrofizikusok egy csoportja arra a kérdésre próbált választ adni, hogy milyen objektum keletkezett egy űrbaleset következtében. Ehhez a Chandra távcsövet használták. A röntgen adatok elemzésével GW170817, a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy egy csillagtömegű fekete lyuknak felelnek meg.
Szintén a közelmúltban egy másik, a GW170817-tel kapcsolatos tanulmány eredményeit tették közzé a Nature folyóiratban. A tudósok megpróbáltak választ találni arra a kérdésre, hogy mi okozta a járvány néhány furcsaságát. Például a legtöbb kutató azt feltételezte, hogy a neutroncsillagok egyesülése miniatűr gamma-kitörések kialakulásához vezet – de ezt nem figyelték meg.
A rádióteleszkópokból származó adatok ennek és más anomáliáknak az okára mutattak rá. A neutroncsillagok maradványát sűrű, forró gáz gubó veszi körül, amely ezen objektumok egyesülése során kilökődő plazmasugaraknak ütközött. Ez az ütközés "felkavarta" a gázt, szétszórta a fénysebesség körülbelül 30-50%-ára, amitől felvillant. A forró gázgubó megléte jól megmagyarázza az egyesülés számos jellemzőjét. Például milyen sorrendben lesz megfigyelhető a villanás hatása az elektromágneses spektrum különböző tartományaiban, valamint az a tény, hogy ez az objektum egyre fényesebb lesz a rádióhullámokban.
Október 16-án a csillagászok arról számoltak be, hogy augusztus 17-én a történelemben először rögzítettek gravitációs hullámokat, amelyek két csillag egyesüléséből származnak. neutroncsillagok. 70 tudóscsoport foglalkozott megfigyelésekkel, és 4600 csillagász lett az eseménynek szentelt cikk társszerzője - a világ összes csillagászának több mint egyharmada. Az N + 1 oldal egy hosszú cikkben elmagyarázta, miért fontos felfedezés ez, és milyen kérdésekre ad választ.
Hogy történt?
2017. augusztus 17-én, moszkvai idő szerint 15:41:04-kor a hanfordi (Washington) LIGO obszervatórium detektora rekordhosszú gravitációs hullámot hallott - a jel körülbelül száz másodpercig tartott. Ez nagyon nagy rés idő - összehasonlításképpen a gravitációs hullámok előző négy rögzítése nem tartott tovább három másodpercnél. Az automatikus értesítő program elindult. A csillagászok ellenőrizték az adatokat: kiderült, hogy a második LIGO detektor (Louisiana államban) is észlelt egy hullámot, de az automatikus trigger a rövid távú zaj miatt nem működött.
1,7 másodperccel később, mint a hanfordi detektor, ettől függetlenül kialudt automatikus rendszer"Fermi" és "Integral" teleszkópok - gamma-sugárzó obszervatóriumok, amelyek megfigyelik a világegyetem legmagasabb energiájú eseményeit. A műszerek fényes villanást észleltek, és megközelítőleg meghatározták annak koordinátáit. A gravitációs jellel ellentétben a villanás mindössze két másodpercig tartott. Érdekes módon az orosz-európai "Integral" észrevette a gamma-kitörést a "perifériális látással" - a fő detektor "védőkristályaival". Ez azonban nem akadályozta meg a jelháromszögelést.
Körülbelül egy órával később a LIGO kiküldött információkat a gravitációs hullámok forrásának lehetséges koordinátáiról - ezt a területet sikerült megállapítani, mivel a Virgo detektor is észrevette a jelet. Azokból a késésekből, amelyekkel a detektorok jelet kezdtek kapni, világossá vált, hogy a forrás nagy valószínűséggel a déli féltekén volt: először a jel elérte a Szűzet, és csak ezután, 22 ezredmásodperc után rögzítette a LIGO obszervatórium. A keresésre javasolt eredeti terület elérte a 28 négyzetfokot, ami a Hold több száz területének felel meg.
A következő lépés a gamma- és a gravitációs obszervatóriumok adatainak egyesítése és pontos sugárforrás keresése volt. Mivel sem a gamma-teleszkópok, de még a gravitációs távcsövek sem tették lehetővé a kívánt pont nagy pontosságú megtalálását, a fizikusok egyszerre több optikai keresést kezdeményeztek. Az egyik - a Moszkvai Állami Egyetem SAI-jában kifejlesztett "MASTER" teleszkóp robotrendszer segítségével.
A kilonova Európai Déli Obszervatórium megfigyeléseEurópai Déli Obszervatórium (ESO)
A több ezer lehetséges jelölt közül a chilei méter hosszú Swope teleszkópnak sikerült kimutatnia a kívánt kitörést – csaknem 11 órával a gravitációs hullámok után. A csillagászok egy új fénypontot rögzítettek az NGC 4993 galaxisban a Hidra csillagképben, fényessége nem haladta meg a 17 magnitúdót. Egy ilyen objektum meglehetősen hozzáférhető a félprofesszionális távcsövek megfigyelésére.
Körülbelül egy órán belül ezt követően, a Swope-tól függetlenül, további négy obszervatórium találta meg a forrást, köztük a MASTER hálózat argentin teleszkópja. Ezt követően nagyszabású megfigyelési kampány vette kezdetét, amelyhez csatlakoztak a Dél-Európai Obszervatórium, a Hubble, a Chandra távcsövei, a VLA rádióteleszkóp-tömb és sok más műszer – összesen több mint 70 tudóscsoport figyelte a fejlődést. eseményekről. Kilenc nappal később a csillagászoknak sikerült képet készíteniük röntgen tartomány, és 16 nap múlva - rádiófrekvenciában. Sajnos egy idő után a Nap közeledett a galaxishoz, és szeptemberben a megfigyelések lehetetlenné váltak.
Mi okozta a robbanást?
A sok elektromágneses tartományban bekövetkező robbanás ilyen jellegzetes képét már régen megjósolták és leírták. Két neutroncsillag ütközésének felel meg - neutronanyagból álló ultrakompakt objektumok.
A tudósok szerint a neutroncsillagok tömege 1,1 és 1,6 naptömeg volt (a teljes tömeget viszonylag pontosan határozzák meg - körülbelül 2,7 naptömeg). Az első gravitációs hullámok akkor keletkeztek, amikor az objektumok távolsága 300 kilométer volt.
A nagy meglepetés az e rendszertől a Földig terjedő kis távolság volt - körülbelül 130 millió fényév. Összehasonlításképpen: ez mindössze 50-szer távolabb, mint a Földtől az Androméda-ködig, és csaknem egy nagyságrenddel kisebb, mint a bolygónk és a fekete lyukak távolsága, amelyek ütközését korábban a LIGO és a Virgo rögzítette. Ráadásul az ütközés a Földhöz legközelebbi forrása lett egy rövid gamma-kitörésnek.
A kettős neutroncsillagok 1974 óta ismertek – az egyik ilyen rendszert a Nobel-díjas Russell Hulse és Joseph Taylor fedezte fel. Mindeddig azonban az összes ismert kettős neutroncsillag a galaxisunkban volt, és pályájuk stabilitása elegendő volt ahhoz, hogy a következő egymillió évben ne ütközzenek. Egy új csillagpár annyira közeledett, hogy elkezdődött a kölcsönhatás, és elkezdődött az anyagátvitel folyamata
Két neutroncsillag ütközése. NASA animáció
Az eseményt kilonovának hívják. Szó szerint ez azt jelenti, hogy a vaku fényereje körülbelül ezerszer erősebb volt, mint az új csillagok tipikus kitörése - kettős rendszerek, amelyben a kompakt társ magára húzza az anyagot.
Mit jelent mindez?
Az összegyűjtött adatok teljes köre már lehetővé teszi a tudósok számára, hogy az eseményt a jövő gravitációs hullámcsillagászatának sarokkövének nevezzék. A két hónapos adatfeldolgozás eredménye szerint mintegy 30 cikk jelent meg nagyobb folyóiratokban: hét in TermészetÉs Tudomány, valamint dolgozni is Astrophysical Journal Lettersés egyéb tudományos publikációk. Az egyik cikk társszerzői 4600 csillagász különböző együttműködésekből – ez a világ összes csillagászának több mint egyharmada.
Íme a kulcskérdések, amelyekre a tudósok most először tudtak igazán választ adni.
Mi váltja ki a rövid gamma-kitöréseket?
A gamma-kitörések az egyik legenergetikusabb jelenség az Univerzumban. Egy ilyen kitörés ereje elegendő ahhoz, hogy másodpercek alatt annyi energiát dobjon ki a környező térbe, amennyit a Nap 10 millió év alatt termel. Vannak rövid és hosszú gamma-kitörések; ugyanakkor úgy gondolják, hogy ezek mechanizmusukban eltérő jelenségek. Például a hatalmas csillagok összeomlását tekintik a hosszú kitörések forrásának.
A rövid gamma-kitörések forrásai feltehetően neutroncsillagok egyesülései. Erre azonban egyelőre nem érkezett közvetlen megerősítés. Az új megfigyelések az eddigi legerősebb bizonyítékok e mechanizmus létezésére.
Honnan származik a világegyetemben az arany és más nehéz elemek?
A nukleoszintézis - az atommagok fúziója a csillagokban - lehetővé teszi a kémiai elemek hatalmas skálájának elérését. A könnyű atommagok esetében a fúziós reakciók energia felszabadulásával zajlanak, és általában energetikailag kedvezőek. Azoknál az elemeknél, amelyek tömege közel van a vas tömegéhez, az energianyereség már nem olyan nagy. Emiatt a vasnál nehezebb elemek szinte soha nem keletkeznek a csillagokban – ez alól kivételt képeznek a szupernóva-robbanások. De ezek teljesen nem elegendőek ahhoz, hogy megmagyarázzák az arany, lantanidok, urán és más nehéz elemek bőségét az univerzumban.
1989-ben a fizikusok felvetették, hogy a neutroncsillagok egyesülésében az r-nukleoszintézis lehet a felelős. Erről bővebben Marat Musin asztrofizikus blogjában olvashat. Ez a folyamat a mai napig csak elméletben volt ismert.
Az új esemény spektrális vizsgálatai a nehéz elemek születésének egyértelmű nyomait mutatták ki. Tehát a Very Large Telescope (VLT) és a Hubble spektrométereinek köszönhetően a csillagászok cézium, tellúr, arany és platina jelenlétét észlelték. Bizonyítékok vannak xenon, jód és antimon képződésére is. A fizikusok becslése szerint az ütközés 40 Jupiter tömegnek megfelelő tömegű könnyű és nehéz elemeket lövellt ki. Az arany önmagában az elméleti modellek szerint körülbelül 10 holdtömeget alkot.
Mi a Hubble állandó?
Kísérletileg meg lehet becsülni az Univerzum tágulási sebességét speciális "standard gyertyák" segítségével. Ezek olyan objektumok, amelyeknél ismert az abszolút fényesség, ami azt jelenti, hogy az abszolút és a látszólagos fényesség arányából lehet következtetni, hogy milyen messze vannak. A tágulási sebességet a megfigyelőtől adott távolságban például a hidrogénvonalak Doppler-eltolódásából határozzuk meg. A "standard gyertyák" szerepét például az Ia típusú szupernóvák (fehér törpék "robbanásai") töltik be - egyébként az ő mintájukon igazolták az Univerzum tágulását.
Két neutroncsillag egyesülésének megfigyelése a távcsőből a Paranal Obszervatóriumban (Chile) Európai Déli Obszervatórium (ESO)
A Hubble-állandó az Univerzum tágulási sebességének lineáris függését adja meg adott távolságban. Értékének minden független meghatározása lehetővé teszi számunkra, hogy ellenőrizzük az elfogadott kozmológia érvényességét.
A gravitációs hullámok forrásai szintén "standard gyertyák" (vagy ahogy a cikkben nevezik őket, "szirénák"). Az általuk létrehozott gravitációs hullámok természete alapján önállóan meghatározhatja a távolságukat. Pontosan ezt használták a csillagászok az egyik új műben. Az eredmény egybeesett más független mérésekkel - kozmikus mikrohullámú háttérsugárzáson és gravitációs lencsék megfigyelései alapján. Az állandó körülbelül 62–82 kilométer/s/megaparszek. Ez azt jelenti, hogy két, 3,2 millió fényévnyire lévő galaxis átlagosan 70 kilométer/s sebességgel távolodik egymástól. Az új neutroncsillag-összeolvadások segítenek növelni ennek a becslésnek a pontosságát.
Hogyan van elrendezve a gravitáció?
A ma általánosan elfogadott általános relativitáselmélet pontosan megjósolja a gravitációs hullámok viselkedését. A gravitáció kvantumelmélete azonban még nem alakult ki. Számos hipotézis létezik arról, hogyan lehet ezt elrendezni - ezek elméleti konstrukciók nagyszámú ismeretlen paraméterrel. Az elektromágneses sugárzás és a gravitációs hullámok egyidejű megfigyelése lehetővé teszi ezen paraméterek határainak tisztázását és szűkítését, valamint néhány hipotézis elvetését.
Például az a tény, hogy a gravitációs hullámok 1,7 másodperccel a gammasugárzás előtt érkeztek, megerősíti, hogy valóban fénysebességgel haladnak. Ezenkívül magának a késleltetésnek az értéke felhasználható az általános relativitáselmélet mögött meghúzódó ekvivalencia elvének tesztelésére.
Hogyan helyezkednek el a neutroncsillagok?
A neutroncsillagok szerkezetét csak általánosságban ismerjük. Nehéz elemekből és neutronmagból álló magjuk van – de például még mindig nem ismerjük a magban lévő neutronanyag állapotegyenletét. És ettől függ például a válasz egy ilyen egyszerű kérdésre: mi is keletkezett pontosan a csillagászok által megfigyelt ütközés során?
Gravitációs hullámok megjelenítése két neutroncsillag egyesüléséből
A fehér törpékhez hasonlóan a neutroncsillagok is rendelkeznek a kritikus tömeg fogalmával, amelyen túl az összeomlás kezdődhet. Attól függően, hogy az új objektum tömege meghaladta-e a kritikus tömeget vagy sem, többféle forgatókönyv létezik további fejlődés eseményeket. Ha a teljes tömeg túl nagy, az objektum azonnal fekete lyukba omlik. Ha a tömeg valamivel kisebb, akkor egy nem egyensúlyi állapotban gyorsan forgó neutroncsillag keletkezhet, amely azonban idővel szintén fekete lyukká omlik össze. Alternatív lehetőség- egy magnetár kialakulása, egy gyorsan forgó neutronlyuk hatalmas mágneses térrel. Nyilvánvalóan a magnetár nem az ütközés során keletkezett - a kísérő kemény röntgensugárzást nem rögzítették.
Vlagyimir Lipunov, a MASTER hálózat vezetője szerint a jelenleg rendelkezésre álló adatok nem elegendőek ahhoz, hogy kiderüljön, pontosan mi is jött létre az egyesülés eredményeként. A csillagászoknak azonban már számos elméletük van, amelyeket a következő napokban publikálnak. Elképzelhető, hogy a jövőbeni neutroncsillagok egyesülései képesek lesznek meghatározni a szükséges kritikus tömeget.
Vlagyimir Koroljov, N+1
A kép szerzői joga Getty Images Képaláírás A jelenséget űrobszervatóriumok és földi teleszkópok segítségével figyelték meg.
A tudósoknak először sikerült két neutroncsillag egyesüléséből származó gravitációs hullámokat regisztrálniuk.
A hullámokat az amerikai LIGO detektorok és az olasz Virgo obszervatórium rögzítette.
A kutatók szerint az ilyen egyesülések eredményeként olyan elemek jelennek meg az univerzumban, mint a platina és az arany.
A felfedezésre augusztus 17-én került sor. Az Egyesült Államokban két detektor regisztrálta a GW170817 gravitációs jelet.
A harmadik olaszországi detektor adatai lehetővé tették az űresemény lokalizációjának tisztázását.
"Ez az, amire mindannyian vártunk" - mondta a felfedezésről David Reitze, a LIGO labor vezérigazgatója.
Az egyesülés az NGC4993 galaxisban történt, amely a Földtől körülbelül 130 millió fényévnyi távolságra, a Hidra csillagképben található.
A csillagok tömege 1,1 és 1,6 naptömeg között volt, ami a neutroncsillagok tömegének tartományába esik. Sugárjuk 10-20 km.
A csillagokat azért nevezik neutroncsillagoknak, mert a gravitációs összehúzódás során a csillag belsejében lévő protonok és elektronok egyesülnek, így szinte kizárólag neutronokból álló objektum jön létre.
Az ilyen tárgyak hihetetlen sűrűségűek – egy teáskanálnyi anyag tömege körülbelül egymilliárd tonna.
A kép szerzői joga NSF/LIGO/SONOMA ÁLLAMI EGYETEM Képaláírás A neutroncsillagok egyesülése a tudósok szerint valahogy így néz ki (a képen - számítógépes modell)A LIGO laboratórium Livingstonban, Louisianában egy kis épület, amelyből két cső nyúlik ki derékszögben – az interferométer karjai. Mindegyik belsejében lézersugár található, melynek hosszában bekövetkező változások rögzítésével gravitációs hullámok érzékelhetők.
A hatalmas erdők közepén elhelyezett LIGO detektort olyan gravitációs hullámok észlelésére tervezték, amelyek nagyszabású kozmikus kataklizmákat generálnak, például neutroncsillagok egyesülését.
Négy éve korszerűsítették a detektort, azóta négyszer észlelt feketelyuk-ütközést.
A gravitációs hullámok, amelyek a térben zajló nagy léptékű események eredményeként keletkeznek, időbeli-térbeli görbületek megjelenéséhez vezetnek, amelyek némileg hasonlítanak a víz hullámaihoz.
A médialejátszás nem támogatott A Te eszközöd
Az év felfedezése: hogyan hangzik a neutroncsillagok ütközése?Szinte elhanyagolható mértékben megnyújtják és összenyomják az összes anyagot, amelyen áthaladnak – kevesebb, mint egyetlen atom szélessége.
"Nagyon örülök annak, amit csináltunk. Még diák koromban kezdtem el először a gravitációs hullámokkal foglalkozni Glasgow-ban. Sok év telt el azóta, voltak hullámvölgyek, de mostanra minden összejött" - mondja LIGO. alkalmazott Norna Robertson professzor.
"Az elmúlt években először a "fekete lyukak" egyesülését rögzítettük, majd a neutroncsillagok, érzéseim szerint új kutatási területet nyitunk" - teszi hozzá.
- A gravitációs hullámok létezését Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg.
- Évtizedekbe telt a hullámok rögzítését lehetővé tevő technológia kifejlesztése
- A gravitációs hullámok az időben és a térben bekövetkező torzulások, amelyek a térben zajló nagy léptékű események eredményeként jönnek létre.
- A gyorsan gyorsuló anyag gravitációs hullámokat generál, amelyek fénysebességgel terjednek
- A látható hullámforrások közé tartozik a neutroncsillagok és a "fekete lyukak" egyesülése.
- A hullámok tanulmányozása alapvetően új kutatási területet nyit meg
A tudósok úgy vélték, hogy az energia ilyen mértékű felszabadulása ritka elemek – például arany és platina – megjelenéséhez vezet.
Dr. Kate Maguire, a belfasti Queen's University munkatársa szerint, aki az egyesülés során felbukkant első járványokat elemezte, ez az elmélet most bebizonyosodott.
"A világ legerősebb teleszkópjait használva azt találtuk, hogy a neutroncsillagok egyesülése nehéz kémiai elemek, például arany és platina nagy sebességű kidobását eredményezte az űrbe" - mondja Maguire.
"Ezek az új eredmények jelentős előrelépést jelentenek annak a régóta fennálló vitának a megoldásában, hogy honnan származnak a periódusos rendszerben a vasnál nehezebb elemek" - teszi hozzá.
Új határok
A neutroncsillagok ütközésének megfigyelése is megerősítette azt az elméletet, hogy azt rövid gamma-kitörések kísérik.
Az ütközés során keletkezett gravitációs hullámokról összegyűjtött információkat a távcsövekkel gyűjtött fénykibocsátási adatokkal összehasonlítva a tudósok egy eddig nem használt módszert alkalmaztak az univerzum tágulási sebességének mérésére.
A bolygó egyik legbefolyásosabb elméleti fizikusa, Stephen Hawking professzor a BBC-nek adott interjújában ezt "az első lépésnek a létrán" nevezte a világegyetem távolságmérésének új módszeréhez.
"Az univerzum megfigyelésének új módja általában meglepetéseket okoz, amelyek közül sokat lehetetlen megjósolni. Még mindig dörzsöljük a szemünket, vagy inkább kitisztítjuk a fülünket, miután először hallottuk a gravitációs hullámok hangját" - mondta Hawking.
A kép szerzői joga NSF Képaláírás A LIGO obszervatórium komplexum Livingstonban. Az épületből "vállak" - csövek indulnak, amelyek belsejében lézersugarak vákuumban haladnak átMost a LIGO komplexum berendezését korszerűsítik. Egy év múlva kétszer érzékenyebb lesz, és képes lesz a jelenleginél nyolcszor nagyobb térszegmens átvizsgálására.
A tudósok úgy vélik, hogy a jövőben a "fekete lyukak" és a neutroncsillagok ütközésének megfigyelése mindennapossá válik. Abban is reménykednek, hogy megtanulnak olyan tárgyakat megfigyelni, amelyeket ma el sem tudnak képzelni, és új korszakot kezdenek a csillagászatban.
