Połączenie gwiazdy neutronowej i czarnej dziury. Naukowcy po raz pierwszy złapali fale z połączenia gwiazd neutronowych. Jakie jest znaczenie tego odkrycia?
ESO / L. Calçada / M. Kornmesser
Naukowcy po raz pierwszy w historii zarejestrowali fale grawitacyjne z połączenia dwóch gwiazd neutronowych - supergęstych obiektów o masie naszego Słońca i wielkości Moskwy. Powstały rozbłysk gamma i rozbłysk kilonowej było obserwowane przez około 70 obserwatoriów naziemnych i kosmicznych - udało im się zaobserwować przewidywany przez teoretyków proces syntezy ciężkich pierwiastków, w tym złota i platyny, oraz potwierdzić poprawność hipotezy o naturze tajemniczych krótkich rozbłysków gamma, podała służba prasowa współpracy LIGO/Virgo, European Southern Observatory i Los Cumbres Observatory. Wyniki obserwacji mogą rzucić światło na wszechświat i we wszechświecie.
Rano 17 sierpnia 2017 r. (o 8:41 czasu wschodniego USA, kiedy w Moskwie była godzina 15:41), automatyczne systemy na jednym z dwóch detektorów obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO zarejestrowały przybycie grawitacji. fala z kosmosu. Sygnał otrzymał oznaczenie GW170817, był to piąty przypadek zatrzasku fale grawitacyjne od 2015 roku, odkąd zostały po raz pierwszy zarejestrowane. Zaledwie trzy dni wcześniej obserwatorium LIGO po raz pierwszy „”fala grawitacyjna razem z projekt europejski Panna.
Jednak tym razem, zaledwie dwie sekundy po zdarzeniu grawitacyjnym, teleskop kosmiczny Fermi wykrył rozbłysk gamma na południowym niebie. Niemal w tym samym czasie doszło do wybuchu epidemii w europejsko-rosyjskim obserwatorium kosmicznym INTEGRAL.
Systemy automatycznej analizy danych LIGO doszły do wniosku, że zbieżność tych dwóch zdarzeń jest niezwykle mało prawdopodobna. W trakcie poszukiwań dodatkowych informacji stwierdzono, że fala grawitacyjna była również widziana przez drugi detektor LIGO, ale nie została zarejestrowana przez europejskie obserwatorium grawitacyjne Virgo. Astronomowie na całym świecie byli „w pogotowiu” – polowanie na źródło fal grawitacyjnych i rozbłysków gamma rozpoczęło wiele obserwatoriów, w tym Europejskie Obserwatorium Południowe i Kosmiczny Teleskop Hubble'a.
Zmiana jasności i koloru kilonowej po wybuchu
Zadanie nie było łatwe – połączone dane LIGO/Virgo, Fermi i INTEGRAL pozwoliły wytyczyć obszar 35 stopni kwadratowych – jest to przybliżony obszar kilkuset dysków księżycowych. Zaledwie 11 godzin później mały teleskop Swope z metrowym lustrem, znajdujący się w Chile, wykonał pierwsze zdjęcie rzekomego źródła - wyglądało ono jak bardzo jasna gwiazda obok galaktyki eliptycznej NGC 4993 w konstelacji Hydry. W ciągu następnych pięciu dni jasność źródła spadła 20 razy, a kolor stopniowo zmieniał się z niebieskiego na czerwony. Przez cały ten czas obiekt był obserwowany przez wiele teleskopów w zakresach od rentgenowskiego po podczerwony, aż do września galaktyka znalazła się zbyt blisko Słońca i stała się niedostępna do obserwacji.
Naukowcy doszli do wniosku, że źródło wybuchu znajdowało się w galaktyce NGC 4993 w odległości około 130 milionów lat świetlnych od Ziemi. Jest niesamowicie blisko, do tej pory fale grawitacyjne docierały do nas z odległości miliardów lat świetlnych. Dzięki tej bliskości mogliśmy ich usłyszeć. Źródłem fali było połączenie dwóch obiektów o masach w zakresie od 1,1 do 1,6 mas Słońca - mogły to być tylko gwiazdy neutronowe.
Zdjęcie źródła fal grawitacyjnych - NGC 4993, w centrum widoczny błysk
VLT/VIMOS. VLT / MUZA, MPG / ESO
Sam rozbłysk „zabrzmiewał” przez bardzo długi czas – około 100 sekund, zlewanie się czarnych dziur dawało rozbłyski trwające ułamek sekundy. Para gwiazd neutronowych krążyła wokół wspólnego środka masy, stopniowo tracąc energię w postaci fal grawitacyjnych i zbiegając się. Gdy odległość między nimi zmniejszyła się do 300 kilometrów, fale grawitacyjne stały się na tyle silne, że trafiły w strefę czułości detektorów grawitacyjnych LIGO/Virgo. Kiedy dwie gwiazdy neutronowe łączą się w jeden zwarty obiekt (gwiazdę neutronową lub czarną dziurę), następuje potężny rozbłysk promieniowania gamma.
Astronomowie nazywają takie rozbłyski gamma krótkimi rozbłyskami gamma, a teleskopy gamma rejestrują je mniej więcej raz w tygodniu. Jeśli natura długich GRB jest bardziej zrozumiała (ich źródłami są wybuchy supernowych), nie było zgody co do źródeł krótkich wybuchów. Postawiono hipotezę, że powstają one w wyniku łączenia się gwiazd neutronowych.
Teraz naukowcom udało się po raz pierwszy potwierdzić tę hipotezę, ponieważ dzięki falom grawitacyjnym znamy masę połączonych składników, co dowodzi, że są to właśnie gwiazdy neutronowe.
„Przez dziesięciolecia podejrzewaliśmy, że krótkie rozbłyski gamma generują połączenia gwiazd neutronowych. Teraz, dzięki danym z LIGO i Virgo o tym wydarzeniu, mamy odpowiedź. Fale grawitacyjne mówią nam, że połączone obiekty miały masy odpowiadające gwiazdom neutronowym, a rozbłysk gamma mówi nam, że obiekty te z trudem mogą być czarnymi dziurami, ponieważ zderzenie czarnych dziur nie powinno generować promieniowania ”- mówi Julie McEnery, naukowiec projektu w Centrum Fermiego. loty kosmiczne NASA nazwana na cześć Goddarda.
Ponadto astronomowie po raz pierwszy otrzymali jednoznaczne potwierdzenie istnienia rozbłysków kilonowych (lub „makronowych”), które są około 1000 razy silniejsze niż konwencjonalne rozbłyski nowej. Teoretycy przewidzieli, że kilonowy mogą powstać z połączenia gwiazd neutronowych lub gwiazdy neutronowej i czarnej dziury.
Uruchamia to proces syntezy pierwiastków ciężkich, polegający na wychwytywaniu neutronów przez jądra (proces r), w wyniku którego we Wszechświecie pojawiło się wiele ciężkich pierwiastków, takich jak złoto, platyna czy uran.
Według naukowców przy jednej eksplozji kilonowej może powstać ogromna ilość złota - nawet dziesięciokrotna masa księżyca. Do tej pory zaobserwowano tylko jedno zdarzenie.
Teraz astronomowie mogli po raz pierwszy zaobserwować nie tylko narodziny kilonowej, ale także produkty jej „pracy”. Widma uzyskane za pomocą teleskopów Hubble'a i VLT (Very Large Telescope) wykazały obecność cezu, telluru, złota, platyny i innych ciężkich pierwiastków powstałych w wyniku łączenia się gwiazd neutronowych.
„Jak dotąd dane, które otrzymaliśmy, doskonale zgadzają się z teorią. To triumf teoretyków, potwierdzenie absolutnej rzeczywistości zdarzeń zarejestrowanych przez obserwatoria LIGO i Virgo oraz niezwykłe osiągnięcie ESO, któremu udało się uzyskać takie obserwacje kilonowej ”- mówi Stefano Covino, pierwszy autor jednego z artykuły w Astronomia przyrodnicza.
Naukowcy nie mają jeszcze odpowiedzi na pytanie, co pozostaje po połączeniu gwiazd neutronowych – może to być albo czarna dziura, albo nowa gwiazda neutronowa, zresztą nie do końca wiadomo, dlaczego rozbłysk gamma był stosunkowo słaby .
Fale grawitacyjne to fale oscylacji geometrii czasoprzestrzeni, których istnienie przewidywała ogólna teoria względności. Po raz pierwszy o ich niezawodnym wykrywaniu, współpraca LIGO w lutym 2016 r. - 100 lat po przewidywaniach Einsteina. Możesz przeczytać więcej o tym, czym są fale grawitacyjne i jak mogą pomóc w eksploracji Wszechświata w naszych specjalnych materiałach - "" i ".
Aleksander Wojtiuk
MOSKWA, 16 października / TASS /. Detektory LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, USA) i Virgo (podobne obserwatorium we Włoszech) jako pierwsze zarejestrowały fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych. Otwarcie zostało ogłoszone w poniedziałek podczas międzynarodowej konferencji prasowej, która odbyła się jednocześnie w Moskwie, Waszyngtonie i kilku miastach w innych krajach.
„Naukowcy po raz pierwszy zarejestrowali fale grawitacyjne z połączenia dwóch gwiazd neutronowych, a zjawisko to zaobserwowano nie tylko na interferometrach laserowych, które rejestrują fale grawitacyjne, ale także za pomocą obserwatoriów kosmicznych (INTEGRAL, Fermi) i teleskopów naziemnych, które rejestrują fale grawitacyjne. promieniowanie elektromagnetyczne.W sumie zjawisko to zaobserwowano około 70 obserwatoriów naziemnych i kosmicznych na całym świecie, w tym sieć teleskopów robotycznych MASTER (Łomonosowa Moskiewski Uniwersytet Państwowy), "podała służba prasowa Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego.
Kiedy i jak został zarejestrowany
Odkrycia, o którym naukowcy poinformowali w poniedziałek, dokonano 17 sierpnia. Następnie oba detektory LIGO zarejestrowały sygnał grawitacyjny, nazwany GW170817. Informacje dostarczone przez trzeci detektor Virgo znacznie poprawiły lokalizację zdarzenia kosmicznego.
Niemal w tym samym czasie, około dwie sekundy po falach grawitacyjnych, Kosmiczny Teleskop Fermiego NASA i Międzynarodowe Laboratorium Astrofizyki Gamma-Ray / INTEGRAL wykryły rozbłyski gamma. W następnych dniach naukowcy rejestrowali promieniowanie elektromagnetyczne w innych zakresach, w tym promienie rentgenowskie, ultrafioletowe, optyczne, podczerwone i radiowe.
Sygnały z detektorów LIGO pokazały, że zarejestrowane fale grawitacyjne były emitowane przez dwa obiekty astrofizyczne krążące względem siebie i znajdujące się w stosunkowo bliskiej odległości – około 130 milionów lat świetlnych – od Ziemi. Okazało się, że obiekty były mniej masywne niż wcześniej odkryte podwójne czarne dziury LIGO i Virgo. Według obliczeń ich masy wahały się od 1,1 do 1,6 mas Słońca, co mieści się w obszarze mas gwiazd neutronowych, najmniejszych i najgęstszych wśród gwiazd. Ich typowy promień to zaledwie 10-20 km.
Podczas gdy sygnał z łączących się podwójnych czarnych dziur zwykle mieścił się w zakresie czułości detektorów LIGO przez ułamek sekundy, sygnał zarejestrowany 17 sierpnia trwał około 100 sekund. Około dwie sekundy po połączeniu gwiazd nastąpił wybuch promieniowania gamma, który został zarejestrowany przez kosmiczne teleskopy gamma.
Szybkie wykrywanie fal grawitacyjnych przez zespół LIGO-Virgo w połączeniu z wykrywaniem promieni gamma umożliwiło obserwację teleskopów optycznych i radiowych na całym świecie.
Po otrzymaniu współrzędnych kilka obserwatoriów było w stanie w ciągu kilku godzin rozpocząć poszukiwania w rejonie nieba, w którym rzekomo miało miejsce zdarzenie. Nowy punkt świetlny przypominający Nowa gwiazda, zostało odkryte przez teleskopy optyczne, w wyniku czego około 70 obserwatoriów na Ziemi iw kosmosie zaobserwowało to zdarzenie w różnych zakresach długości fal.
W dniach po zderzeniu rejestrowano promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie promieniowania rentgenowskiego, ultrafioletowego, optycznego, podczerwonego i radiowego.
„Po raz pierwszy, w przeciwieństwie do „samotnych” połączeń czarnych dziur, „przyjazne” zdarzenie zostało zarejestrowane nie tylko przez detektory grawitacyjne, ale także przez teleskopy optyczne i neutrinowe. w obserwacji zjawiska, pod kierownictwem profesora Wydziału Fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego Walerego Mitrofanowa.
Teoretycy przewidują, że gdy zderzają się gwiazdy neutronowe, powinny być emitowane fale grawitacyjne i promienie gamma, a także potężne dżety materii, którym towarzyszy promieniowanie fale elektromagnetyczne w szerokim zakresie częstotliwości.
Wykryty GRB to tak zwany krótki GRB. Wcześniej naukowcy przewidywali jedynie, że podczas łączenia się gwiazd neutronowych powstają krótkie rozbłyski gamma, a teraz potwierdzają to obserwacje. Ale pomimo faktu, że źródło wykrytego krótkiego GRB było jednym z najbliższych Ziemi, które wciąż było widoczne, sam rozbłysk był zaskakująco słaby jak na tę odległość. Teraz naukowcy muszą znaleźć wyjaśnienie tego faktu.
Z prędkością światła
W momencie zderzenia większość dwóch gwiazd neutronowych połączyła się w jeden bardzo gęsty obiekt emitujący promieniowanie gamma. Pierwsze pomiary promieniowania gamma w połączeniu z detekcją fal grawitacyjnych potwierdzają przewidywanie ogólnej teorii względności Einsteina, a mianowicie, że fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła.
„YouTube / Georgia Tech”
„We wszystkich poprzednich przypadkach łączące się czarne dziury były źródłem fal grawitacyjnych. Paradoksalnie czarne dziury to bardzo proste obiekty składające się wyłącznie z zakrzywionej przestrzeni, a zatem w pełni opisane przez dobrze znane prawa ogólnej teorii względności. Jednocześnie struktura gwiazd neutronowych, a w szczególności równanie stanu materii neutronowej wciąż nie jest dokładnie znane.Dlatego badanie sygnałów z łączących się gwiazd neutronowych pozwoli nam uzyskać ogromną ilość nowych informacji o właściwościach supergęstej materii w ekstremalnych warunków ”- powiedział profesor Wydziału Fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego Farit Khalili, który również należał do grupy Mitrofanova.
Fabryka ciężkich elementów
Teoretycy przewidywali, że w wyniku fuzji powstanie „kilonowa”. Jest to zjawisko, w którym materia pozostała po zderzeniu gwiazd neutronowych świeci jasno i jest wyrzucana z obszaru zderzenia daleko w przestrzeń kosmiczną. Tworzy to procesy, które tworzą ciężkie pierwiastki, takie jak ołów i złoto. Obserwacja po blasku łączenia się gwiazd neutronowych umożliwia uzyskanie dodatkowych informacji na temat różnych etapów tego łączenia, o oddziaływaniu powstałego obiektu z środowisko oraz procesy, które wytwarzają najcięższe pierwiastki we wszechświecie.
„W procesie fuzji zarejestrowano powstawanie pierwiastków ciężkich. Można więc mówić nawet o galaktycznej fabryce do produkcji pierwiastków ciężkich, w tym złota – wszak to właśnie ten metal najbardziej interesuje Ziemian. Naukowcy zaczynają oferować modele, które wyjaśniałyby obserwowane parametry tej fuzji” – zauważył Vyatchanin.
O współpracy LIGO-LSC
Współpraca naukowa LIGO-LSC (LIGO Scientific Collaboration) skupia ponad 1200 naukowców ze 100 instytutów różne kraje... Obserwatorium LIGO jest budowane i obsługiwane przez California and Massachusetts Institute of Technology. Partnerem LIGO jest współpraca Virgo, która zatrudnia 280 europejskich naukowców i inżynierów z 20 grup badawczych. Detektor Virgo znajduje się w pobliżu Pizy (Włochy).
W badaniach naukowej współpracy LIGO biorą udział dwa zespoły naukowe z Rosji: zespół Wydziału Fizyki Moskwy Uniwersytet stanowy nazwany na cześć M.V. Łomonosow i zespół Instytutu Fizyki Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk (Niżny Nowogród). Badania są wspierane przez Rosyjską Fundację Badań Podstawowych i Rosyjską Fundację Nauki.
Detektory LIGO w 2015 roku po raz pierwszy zarejestrowały fale grawitacyjne ze zderzających się czarnych dziur, a w lutym 2016 roku odkrycie zostało ogłoszone na konferencji prasowej. W 2017 roku amerykańscy fizycy Rainer Weiss, Kip Thorne i Berry Barish otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za ich decydujący wkład w projekt LIGO, a także za „obserwację fal grawitacyjnych”.
Fale grawitacyjne generowane podczas łączenia się dwóch gwiazd neutronowych. Wydarzenie zostało oznaczone jako GW170817. Rozbłysk gamma i rozbłysk kilonowych, które nastąpiły po połączeniu, były obserwowane przez około 70 obserwatoriów naziemnych i kosmicznych, od ESO po Hubble'a. W czasie rzeczywistym astronomowie obserwowali przewidywany przez teoretyków proces syntezy ciężkich pierwiastków, w tym złota i platyny, i potwierdzali słuszność hipotez dotyczących natury tajemniczych krótkich rozbłysków gamma. Odkryto również miejsce łączenia się gwiazd neutronowych. To jest w galaktyce NGC 4993, 130 milionów sv. l.
Podczas gdy większość naukowców skoncentrowała swoje dalsze wysiłki na badaniu bezpośrednich produktów syntezy jądrowej, grupa amerykańskich astrofizyków próbowała odpowiedzieć na pytanie, który obiekt powstał w wyniku kosmicznego wypadku. W tym celu użyli teleskopu Chandra. Analizując dane rentgenowskie GW170817 naukowcy doszli do wniosku, że odpowiadają one czarnej dziurze o masie gwiazdowej.
Również niedawno w czasopiśmie Nature opublikowano wyniki innego badania nad GW170817. Naukowcy próbowali znaleźć odpowiedź na pytanie, co spowodowało niektóre dziwactwa epidemii. Na przykład większość badaczy zakładała, że połączenie gwiazd neutronowych powinno doprowadzić do powstania miniaturowych rozbłysków gamma – ale tego nie zaobserwowano.
Dane z radioteleskopu wskazały na przyczynę tej i innych anomalii. Pozostałość gwiazd neutronowych otoczona jest gęstym kokonem rozżarzonego gazu, który zderzył się z wiązkami plazmy wyrzucanymi podczas łączenia się tych obiektów. Ta kolizja "wzbudziła" gaz, przyspieszyła go do około 30-50% prędkości światła, sprawiając, że zaczął świecić. Istnienie kokonu z gorącym gazem dobrze wyjaśnia wiele cech fuzji. Na przykład, w jakiej kolejności będą obserwowane skutki błysku w różnych zakresach widma elektromagnetycznego, a także to, że obiekt ten będzie coraz jaśniejszy w falach radiowych.
16 października astronomowie poinformowali, że 17 sierpnia po raz pierwszy w historii zarejestrowali fale grawitacyjne z połączenia dwóch gwiazdy neutronowe... Obserwacje prowadziło 70 grup naukowców, a współautorem jednego z artykułów na temat tego wydarzenia było 4600 astronomów – ponad jedna trzecia wszystkich astronomów na świecie. Witryna N+1 w długim artykule wyjaśniła, dlaczego jest to ważne odkrycie i na jakie pytania pomoże odpowiedzieć.
Jak to wszystko się stało?
17 sierpnia 2017 roku o godzinie 15:41:04 czasu moskiewskiego detektor obserwatorium LIGO w Hanford (Waszyngton) usłyszał rekordowo długą falę grawitacyjną – sygnał trwał około stu sekund. To jest bardzo duża luka czas - dla porównania poprzednie cztery fiksacje fal grawitacyjnych trwały nie dłużej niż trzy sekundy. Uruchomił się automatyczny program ostrzegania. Astronomowie sprawdzili dane: okazało się, że drugi detektor LIGO (w Luizjanie) również zarejestrował falę, ale automatyczny wyzwalacz nie zadziałał z powodu krótkotrwałego szumu.
1,7 sekundy później niż detektor w Hanford, niezależnie od tego, zadziałał system automatyczny teleskopy Fermiego i Integrala, obserwatoria promieniowania gamma w kosmosie, obserwujące niektóre z najbardziej energetycznych zdarzeń we Wszechświecie. Instrumenty wykryły jasny błysk i z grubsza określiły jego współrzędne. W przeciwieństwie do sygnału grawitacyjnego rozbłysk trwał tylko dwie sekundy. Interesujące jest to, że rosyjsko-europejski „Integral” zauważył rozbłysk gamma z „widzeniem peryferyjnym” - „kryształami ochronnymi” głównego detektora. Nie zapobiegło to jednak triangulacji sygnału.
Mniej więcej godzinę później LIGO wysłało informację o możliwych współrzędnych źródła fal grawitacyjnych – możliwe było ustalenie tego obszaru dzięki temu, że sygnał został zauważony przez detektor Virgo. Z opóźnień, z jakimi detektory zaczęły odbierać sygnał, stało się jasne, że najprawdopodobniej źródło znajduje się na półkuli południowej: najpierw sygnał dotarł do Panny, a dopiero potem, 22 milisekundy później, został zarejestrowany przez LIGO obserwatorium. Pierwotnie zalecany obszar poszukiwań wynosił 28 stopni kwadratowych, co odpowiada setkom obszarów księżyca.
Kolejnym krokiem było połączenie danych z obserwatoriów gamma i grawitacyjnych oraz poszukiwanie dokładnego źródła promieniowania. Ponieważ żaden z teleskopów gamma, nie mówiąc już o grawitacyjnych, nie pozwalał na znalezienie wymaganego punktu z dużą dokładnością, fizycy rozpoczęli jednocześnie kilka poszukiwań optycznych. Jeden z nich - przy pomocy zrobotyzowanego systemu teleskopów „MASTER”, opracowanego w GAISH MSU.
Obserwując kilonową Europejskiego Obserwatorium PołudniowegoEuropejskie Obserwatorium Południowe (ESO)
Spośród tysięcy możliwych kandydatów chilijski teleskop Swope zdołał wykryć pożądany błysk - prawie 11 godzin po falach grawitacyjnych. Astronomowie zarejestrowali nowy punkt świetlny w galaktyce NGC 4993 w konstelacji Hydry, jej jasność nie przekroczyła 17 magnitudo. Taki obiekt jest dość dostępny do obserwacji za pomocą półprofesjonalnych teleskopów.
W mniej więcej godzinę później, niezależnie od Swope'a, źródło odnalazły cztery kolejne obserwatoria, w tym argentyński teleskop sieci MASTER. Następnie rozpoczęła się zakrojona na szeroką skalę kampania obserwacyjna, do której dołączyły teleskopy Obserwatorium Południowoeuropejskiego, Hubble'a, Chandra, zestaw radioteleskopów VLA i wiele innych instrumentów - w sumie ponad 70 grup naukowców obserwowało rozwój wydarzenia. Po dziewięciu dniach astronomom udało się uzyskać obraz w Zakres rentgenowski, a po 16 dniach - na częstotliwości radiowej. Niestety po chwili Słońce zbliżyło się do galaktyki i we wrześniu obserwacje stały się niemożliwe.
Co spowodowało eksplozję?
Tak charakterystyczny wzór wybuchu w wielu zakresach elektromagnetycznych został już dawno przewidziany i opisany. Odpowiada zderzeniu dwóch gwiazd neutronowych - ultrakompaktowych obiektów składających się z materii neutronowej.
Według naukowców masa gwiazd neutronowych wynosiła 1,1 i 1,6 mas Słońca (całkowita masa została wyznaczona stosunkowo dokładnie - około 2,7 mas Słońca). Pierwsze fale grawitacyjne pojawiły się, gdy odległość między obiektami wynosiła 300 kilometrów.
Dużym zaskoczeniem była niewielka odległość tego układu od Ziemi – około 130 milionów lat świetlnych. Dla porównania, to tylko 50 razy dalej niż z Ziemi do Mgławicy Andromedy i prawie o rząd wielkości mniej niż odległość od naszej planety do czarnych dziur, których zderzenie odnotowały wcześniej LIGO i Virgo. Ponadto zderzenie było najbliższym źródłem krótkiego GRB na Ziemi.
Binarne gwiazdy neutronowe znane są od 1974 roku - jeden z tych układów odkryli nobliści Russell Hals i Joseph Taylor. Jednak do tej pory wszystkie znane podwójne gwiazdy neutronowe znajdowały się w naszej Galaktyce, a stabilność ich orbit była wystarczająca, aby nie zderzyć się w ciągu najbliższego miliona lat. Nowa para gwiazd zbliżyła się tak bardzo, że rozpoczęła się interakcja i zaczął się rozwijać proces przenoszenia materii
Zderzenie dwóch gwiazd neutronowych. Animacja Nasa
Wydarzenie nazwano kilonova. Dosłownie oznacza to, że jasność rozbłysku była około tysiąca razy większa niż typowe rozbłyski nowych gwiazd - systemy binarne, w której kompaktowy towarzysz wciąga sprawę na siebie.
Co to wszystko znaczy?
Pełne spektrum zebranych danych już teraz pozwala naukowcom nazwać to wydarzenie kamieniem węgielnym przyszłej astronomii fal grawitacyjnych. Na podstawie wyników przetwarzania danych w ciągu dwóch miesięcy w dużych czasopismach powstało około 30 artykułów: po siedem w każdym Natura oraz Nauki ścisłe jak również pracować w Astrofizyczne listy z dziennika i inne publikacje naukowe. Jeden z tych artykułów był współautorem 4600 astronomów z różnych kolaboracji - to ponad jedna trzecia wszystkich astronomów na świecie.
Oto kluczowe pytania, z którymi naukowcy po raz pierwszy naprawdę byli w stanie zadać.
Co powoduje krótkie GRB?
Rozbłyski gamma to jedne z najbardziej energetycznych zjawisk we wszechświecie. Moc jednego takiego rozbłysku jest wystarczająca, aby w ciągu kilku sekund wyrzucić w otaczającą przestrzeń tyle energii, ile Słońce wytwarza w ciągu 10 milionów lat. Istnieją krótkie i długie GRB; uważa się, że są to zjawiska różniące się mechanizmem. Na przykład uważa się, że zapadanie się masywnych gwiazd jest źródłem długich wybuchów.
Uważa się, że połączenia gwiazd neutronowych są źródłem krótkich GRB. Jednak jak dotąd nie ma na to bezpośredniego potwierdzenia. Nowe obserwacje są jak dotąd najmocniejszym dowodem istnienia tego mechanizmu.
Skąd we Wszechświecie bierze się złoto i inne ciężkie pierwiastki?
Nukleosynteza - fuzja jąder w gwiazdach - wytwarza ogromne spektrum pierwiastków chemicznych. W przypadku jąder lekkich reakcje fuzji przebiegają z uwolnieniem energii i są ogólnie korzystne pod względem energetycznym. W przypadku pierwiastków, których masa jest zbliżona do masy żelaza, przyrost energii nie jest już tak duży. Z tego powodu pierwiastki cięższe od żelaza prawie nie powstają w gwiazdach - wyjątkiem są wybuchy supernowych. Ale są one całkowicie niewystarczające, aby wyjaśnić obfitość złota, lantanowców, uranu i innych ciężkich pierwiastków we Wszechświecie.
W 1989 roku fizycy zasugerowali, że może za to odpowiadać r-nukleosynteza w fuzji gwiazd neutronowych. Więcej na ten temat można przeczytać na blogu astrofizyka Marata Musina. Do tej pory proces ten znany był tylko teoretycznie.
Badania spektralne nowego wydarzenia wykazały wyraźne ślady narodzin ciężkich pierwiastków. Tak więc dzięki spektrometrom Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) i Hubble'a astronomowie odkryli obecność cezu, telluru, złota i platyny. Istnieją również dowody na powstawanie ksenonu, jodu i antymonu. Fizycy szacują, że zderzenie wyrzuciło całkowitą masę lekkich i ciężkich pierwiastków równą 40-krotności masy Jowisza. Samo złoto, zgodnie z modelami teoretycznymi, ma masę około 10 mas Księżyca.
Ile wynosi stała Hubble'a?
Eksperymentalnie tempo ekspansji Wszechświata można oszacować za pomocą specjalnych „świec standardowych”. Są to obiekty, dla których znana jest jasność bezwzględna, co oznacza, że stosunek między jasnością bezwzględną a widzialną można wykorzystać do stwierdzenia, jak daleko się znajdują. Szybkość ekspansji w danej odległości od obserwatora jest określona przez przesunięcie Dopplera, na przykład linii wodorowych. Rolę „świec standardowych” pełnią na przykład supernowe typu Ia („wybuchy” białych karłów) – nawiasem mówiąc, to na ich próbce udowodniono ekspansję Wszechświata.
Obserwując połączenie dwóch gwiazd neutronowych z teleskopu w Obserwatorium Paranal (Chile) European Southern Observatory (ESO)
Stała Hubble'a określa liniową zależność szybkości rozszerzania się Wszechświata w danej odległości. Każde niezależne określenie jego wartości pozwala nam zweryfikować słuszność przyjętej kosmologii.
Źródłem fal grawitacyjnych są również „świece standardowe” (lub, jak się je nazywa w artykule, „syreny”). Ze względu na charakter fal grawitacyjnych, które tworzą, możesz niezależnie określić odległość do nich. Właśnie to wykorzystali astronomowie w jednej z nowych prac. Wynik zbiegł się z innymi niezależnymi pomiarami - opartymi na CMB i obserwacjach obiektów soczewkowanych grawitacyjnie. Stała wynosi w przybliżeniu 62-82 kilometry na sekundę na megaparsek. Oznacza to, że dwie galaktyki odległe średnio o 3,2 miliona lat świetlnych rozpraszają się z prędkością 70 kilometrów na sekundę. Nowe połączenia gwiazd neutronowych pomogą zwiększyć dokładność tego oszacowania.
Jak działa grawitacja?
Ogólna teoria względności, powszechnie dziś akceptowana, dokładnie przewiduje zachowanie fal grawitacyjnych. Jednak kwantowa teoria grawitacji nie została jeszcze opracowana. Istnieje kilka hipotez na temat tego, jak można go zaaranżować - są to konstrukcje teoretyczne o dużej liczbie nieznanych parametrów. Jednoczesna obserwacja promieniowania elektromagnetycznego i fal grawitacyjnych pozwoli doprecyzować i zawęzić granice tych parametrów, a także odrzucić niektóre hipotezy.
Na przykład fakt, że fale grawitacyjne pojawiły się 1,7 sekundy przed promieniowaniem gamma, potwierdza, że rzeczywiście poruszają się one z prędkością światła. Ponadto samą wartość opóźnienia można wykorzystać do sprawdzenia zasady równoważności leżącej u podstaw ogólnej teorii względności.
Jak układają się gwiazdy neutronowe?
Budowę gwiazd neutronowych znamy tylko ogólnie. Mają skorupę z ciężkich pierwiastków i jądro neutronowe - ale np. wciąż nie znamy równania stanu materii neutronowej w jądrze. I od tego zależy np. odpowiedź na tak proste pytanie: co dokładnie powstało w zderzeniu obserwowanym przez astronomów?
Wizualizacja fal grawitacyjnych z połączenia dwóch gwiazd neutronowych
Podobnie jak białe karły, gwiazdy neutronowe mają pojęcie masy krytycznej, powyżej której może rozpocząć się kolaps. Istnieje kilka scenariuszy w zależności od tego, czy masa nowego obiektu przekroczyła krytyczną, czy nie. dalszy rozwój wydarzenia. Jeśli całkowita masa okaże się zbyt duża, obiekt natychmiast zapadnie się w czarną dziurę. Jeśli masa jest nieco mniejsza, może powstać nierównowagowa, szybko obracająca się gwiazda neutronowa, która jednak z czasem również zapada się w czarną dziurę. Alternatywna opcja- powstanie magnetara, szybko obracającej się dziury neutronowej z ogromnym polem magnetycznym. Najwyraźniej magnetar nie powstał w zderzeniu - towarzyszące mu twarde promieniowanie rentgenowskie nie zostało wykryte.
Według Władimira Lipunowa, szefa sieci MASTER, dostępne dane są niewystarczające, aby dowiedzieć się, co dokładnie powstało w wyniku fuzji. Jednak astronomowie mają już szereg teorii, które zostaną opublikowane w nadchodzących dniach. Być może z przyszłych połączeń gwiazd neutronowych uda się określić pożądaną masę krytyczną.
Władimir Korolew, N + 1
Prawa autorskie do zdjęć Obrazy Getty Tytuł Zdjęcia Zjawisko zaobserwowano przy użyciu obserwatoriów kosmicznych i teleskopów naziemnych
Naukowcom po raz pierwszy udało się zarejestrować fale grawitacyjne z połączenia dwóch gwiazd neutronowych.
Fale zostały zarejestrowane przez detektory LIGO w Stanach Zjednoczonych i włoskie Obserwatorium Virgo.
Zdaniem naukowców w wyniku takich połączeń we Wszechświecie pojawiają się pierwiastki takie jak platyna i złoto.
Odkrycia dokonano 17 sierpnia. Dwa detektory w Stanach Zjednoczonych zarejestrowały sygnał grawitacyjny GW170817.
Dane z trzeciego detektora we Włoszech umożliwiły wyjaśnienie lokalizacji zdarzenia kosmicznego.
„To jest to, na co wszyscy czekaliśmy” – powiedział dyrektor wykonawczy LIGO Lab David Reitze, komentując odkrycie.
Fuzja miała miejsce w galaktyce NGC4993, która znajduje się około 130 milionów lat świetlnych od Ziemi w konstelacji Hydry.
Masy gwiazd mieściły się w zakresie od 1,1 do 1,6 mas Słońca, co mieści się w obszarze mas gwiazd neutronowych. Ich promień wynosi 10-20 km.
Gwiazdy nazywane są gwiazdami neutronowymi, ponieważ w procesie grawitacyjnego skurczu protony i elektrony wewnątrz gwiazdy łączą się, tworząc obiekt składający się prawie wyłącznie z neutronów.
Takie obiekty mają niesamowitą gęstość - łyżeczka materii waży około miliarda ton.
Prawa autorskie do zdjęć NSF / LIGO / UNIWERSYTET STANOWY SONOMA Tytuł Zdjęcia Tak wygląda połączenie gwiazd neutronowych w umysłach naukowców (na zdjęciu - model komputerowy)Laboratorium LIGO w Livingston w stanie Luizjana to mały budynek z dwoma ramionami interferometru rozciągającymi się pod kątem prostym. Wewnątrz każdego z nich znajduje się wiązka laserowa, utrwalająca zmiany długości, których można wykryć fale grawitacyjne.
Detektor LIGO, ustawiony w środku rozległych lasów, został stworzony w celu wykrywania fal grawitacyjnych, które generują wielkoskalowe kosmiczne kataklizmy, takie jak zlanie się gwiazd neutronowych.
Cztery lata temu detektor został zmodernizowany, od tego czasu czterokrotnie wykrywał zderzenia czarnych dziur.
Fale grawitacyjne, które powstają w wyniku wielkoskalowych zdarzeń w przestrzeni, prowadzą do pojawienia się krzywizn czasoprzestrzennych, nieco podobnych do fal na wodzie.
Odtwarzanie multimediów nie jest obsługiwane w Twoje urządzenie
Odkrycie roku: jak brzmi zderzenie gwiazd neutronowych?Rozciągają i ściskają wszelką materię, przez którą przechodzą, w niemal znikomym stopniu - mniej niż szerokość jednego atomu.
„Jestem zachwycony tym, co zrobiliśmy. Po raz pierwszy zacząłem pracować nad falami grawitacyjnymi w Glasgow jeszcze jako student. Od tego czasu minęło wiele lat, były wzloty i upadki, ale teraz wszystko się udało” – mówi pracownik LIGO. Profesor Norn Robertson.
"W ciągu ostatnich kilku lat najpierw odnotowaliśmy połączenie 'czarnych dziur', a potem - gwiazd neutronowych, moim zdaniem, otwieramy nowe pole do badań" - dodaje.
- Istnienie fal grawitacyjnych przewidziano w ramach ogólnej teorii względności Einsteina
- Opracowanie technologii rejestrującej fale zajęło dziesięciolecia.
- Fale grawitacyjne to zniekształcenia w czasie i przestrzeni, które powstają w wyniku zdarzeń w przestrzeni na dużą skalę.
- Szybko przyspieszająca materia generuje fale grawitacyjne, które poruszają się z prędkością światła
- Wśród widocznych źródeł fal są połączenia gwiazd neutronowych i „czarnych dziur”
- Badania fal otwierają zupełnie nowe pole badań
Naukowcy uważali, że uwalnianie energii na taką skalę prowadzi do pojawienia się rzadkich pierwiastków, takich jak złoto i platyna.
Według dr Keitha Maguire'a z Queen's University w Belfaście, który przeanalizował wczesne rozbłyski fuzji, ta teoria została udowodniona.
„Dzięki najpotężniejszym teleskopom na świecie odkryliśmy, że ta fuzja gwiazd neutronowych była szybkim wyrzucaniem w kosmos ciężkich pierwiastków chemicznych, takich jak złoto i platyna”, mówi Maguire.
„Te nowe wyniki pomogły poczynić znaczne postępy w kierunku rozwiązania długotrwałej debaty na temat pochodzenia pierwiastków cięższych od żelaza z układu okresowego pierwiastków” – dodaje.
Nowe granice
Obserwacja zderzenia gwiazd neutronowych potwierdziła również teorię, że towarzyszą mu krótkie rozbłyski promieniowania gamma.
Porównując zebrane informacje o zderzeniowych falach grawitacyjnych z danymi dotyczącymi promieniowania świetlnego zebranymi przez teleskopy, naukowcy wykorzystali niespotykany wcześniej sposób pomiaru tempa ekspansji Wszechświata.
Jeden z najbardziej wpływowych fizyków teoretycznych na świecie, profesor Stephen Hawking, w wywiadzie dla BBC nazwał to „pierwszym szczeblem drabiny” nowego sposobu mierzenia odległości we Wszechświecie.
„Nowy sposób obserwowania wszechświata prowadzi do niespodzianek, z których wiele jest niemożliwych do przewidzenia. Nadal przecieramy oczy, a raczej myjemy uszy, po tym, jak po raz pierwszy usłyszeliśmy dźwięk fal grawitacyjnych” – powiedział Hawking.
Prawa autorskie do zdjęć NSF Tytuł Zdjęcia Kompleks obserwatorium LIGO w Livingston. Z budynku odchodzą "ramiona" - rury, w których promienie laserowe przechodzą w próżniObecnie trwa modernizacja wyposażenia kompleksu LIGO. Za rok stanie się dwukrotnie bardziej czuły i będzie w stanie przeskanować segment przestrzeni ośmiokrotnie większy od obecnego.
Naukowcy uważają, że w przyszłości obserwowanie zderzenia „czarnych dziur” i gwiazd neutronowych stanie się codziennością. Mają także nadzieję, że nauczą się obserwować obiekty, których dzisiaj nie potrafią sobie nawet wyobrazić, i zapoczątkują nową erę w astronomii.
