Російські вчені у складі колаборацій LIGO та Virgo вперше зареєстрували гравітаційні хвилі від злиття двох нейтронних зірок. Це перша космічна подія, що спостерігається як у гравітаційних, так і в електромагнітних хвилях. Відкриття представлено сьогодні на прес-конференціях у Вашингтоні та Москві. Результати також будуть опубліковані у журналі Physical Review Letters.
Через два тижні після присудження Нобелівської премії з фізики за відкриття гравітаційних хвиль трьом дослідникам із США, колаборації LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, США) та Virgo (аналогічна обсерваторія в Італії) оголосили про те, що вперше зафіксували гравітаційні хвилі. зірок, причому це явище спостерігали на лазерних інтерферометрах, що реєструють гравітаційні хвилі, за допомогою космічних обсерваторій («Інтеграл», Fermi) та наземних телескопів, що реєструють електромагнітне випромінювання. У сумі це явище спостерігали близько 70 наземних та космічних обсерваторій у всьому світі, серед яких мережа роботів-телескопів МАЙСТЕР (МДУ імені М.В. Ломоносова).
«Перша пряма реєстрація гравітаційних хвиль від чорних дірок, що стикаються, обсерваторією LIGO відбулася близько двох років тому. Було відчинено нове вікно у Всесвіт. Вже сьогодні ми бачимо, які безпрецедентні можливості створює для дослідників цей новий канал отримання інформації у поєднанні із традиційною астрономією», – каже професор фізичного факультету МДУ Валерій Митрофанов.
17 серпня обидва детектори LIGO зареєстрували гравітаційний сигнал, названий GW170817. Інформація, надана третім детектором Virgo, дозволила значно покращити локалізацію космічної події. Майже водночас (приблизно через дві секунди після гравітаційних хвиль) космічний гамма-телескоп NASA Fermi та Міжнародна орбітальна обсерваторія гамма-променів (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL) «Інтеграл» виявили сплески гамма-променів. У наступні дні було зареєстровано електромагнітне випромінювання та в інших діапазонах, включаючи рентгенівські, ультрафіолетові, оптичні, інфрачервоні та радіохвилі.
Сигнали детекторів LIGO показали, що зареєстровані гравітаційні хвилі випромінювались двома астрофізичними об'єктами, що обертаються один щодо одного і розташованими на відносно близькій відстані близько 130 мільйонів світлових років від Землі. Виявилося, що об'єкти були менш потужними, ніж раніше виявлені LIGO і Virgo подвійні темні діри. Згідно з обчисленнями, їх маси знаходилися в діапазоні від 1,1 до 1,6 маси Сонця, що потрапляє в область мас нейтронних зірок, найменших і найщільніших серед зірок. Їх типовий радіус складає лише 10-20 кілометрів.
Отримавши координати, обсерваторії вже за кілька годин змогли розпочати пошук у сфері неба, де імовірно сталася подія. Нову світлу точку, що нагадує нову зірку, виявили оптичні телескопи. Зрештою, близько 70 обсерваторій на Землі і в космосі спостерігали цю подію в різних діапазонах довжин хвиль. У наступні дні після зіткнення було зареєстровано електромагнітне випромінювання в рентгенівському, ультрафіолетовому, оптичному, інфрачервоному та радіохвильовому діапазонах.
«Вперше, на відміну від "одиноких" злиттів чорних дірок, зареєстровано "компанійську" подію не лише гравітаційними детекторами, а ще й оптичними та нейтринними телескопами. Це перший такий хоровод спостережень навколо однієї події», – розповів професор фізичного факультету МДУ імені М.В. Ломоносова Сергій В'ятчанін.
Теоретики передбачили, що в результаті злиття утворюється «кілонова». Це явище, при якому матеріал, що залишився від зіткнення нейтронних зірок, яскраво світиться і викидається з області зіткнення далеко в космос. У цьому виникають процеси, у яких створюються важкі елементи, такі як свинець і золото. Спостереження післясвітлення злиття нейтронних зірок дозволяє отримувати додаткову інформацію про різні стадії цього злиття, про взаємодію об'єкта, що утворився з навколишнім середовищем і про процеси, які виробляють найважчі елементи у Всесвіті.
«У процесі злиття зафіксовано утворення тяжких елементів. Тому можна говорити навіть про галактичну фабрику з виробництва важких елементів, у тому числі золота, адже саме цей метал найбільше цікавить землян. Вчені починають пропонувати моделі, які пояснили б параметри цього злиття, що спостерігаються», - зазначив В'ятчанин.
17 серпня 2017 року лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія LIGO та франко-італійський детектор гравітаційних хвиль VIRGO вперше зафіксували гравітаційні хвилі від зіткнення двох нейтронних зірок. Приблизно через дві секунди після цього космічний гамма-телескоп NASA Fermi і астрофізична гамма-лабораторія ESA INTEGRAL спостерігали короткий гамма-сплеск GRB170817A в тій же області неба.
«Вченому рідко випадає нагода стати свідком початку нової доби в науці. Це – один із таких випадків!» - Сказала Олена Піан з Астрофізичного інституту Італії, автор однієї з публікованих в Natureстатей.
Що таке гравітаційні хвилі?
Гравітаційні хвилі, що створюються масами, що рухаються, є маркерами найжорстокіших подій у Всесвіті і виникають при зіткненні щільних об'єктів, таких як чорні дірки або нейтронні зірки.
Їхнє існування було передбачено ще в 1916 році Альбертом Ейнштейном у Загальній Теорії Відносності. Проте, зафіксувати гравітаційні хвилі вдалося лише сто років, оскільки лише найпотужніші з цих хвиль, зумовлені швидкими змінами швидкості дуже потужних об'єктів, може бути зареєстровані сучасними приймачами.
До сьогоднішнього дня було спіймано 4 сигнали гравітаційних хвиль: тричі LIGO поодинці фіксував «брижі» простору-часу, а 14 вересня 2017 року вперше гравітаційні хвилі були спіймані відразу трьома детекторами (двома детекторами LIGO в США та одним детектором VIRGO).
У чотирьох попередніх подій є одна загальна – всі вони викликані злиттям пар чорних дірок, унаслідок чого побачити їхнє джерело неможливо. Тепер усе змінилося.
Як обсерваторії у всьому світі «ловили» джерело гравітаційних хвиль
Спільна робота LIGO і VIRGO дозволила позиціонувати джерело гравітаційних хвиль у межах великої ділянки південного неба розміром кілька сотень дисків повного Місяця, що містить мільйони зірок. Понад 70 обсерваторій по всьому світу, а також космічний телескоп NASA Hubble почали спостерігати цей район неба в пошуках нових джерел випромінювання.
Перше повідомлення про виявлення нового джерела світла надійшло через 11 годин із метрового телескопа «Swope». Виявилося, що об'єкт знаходився дуже близько до лінзоподібної галактики NGC 4993 у сузір'ї Гідри. Майже водночас те джерело було зареєстроване телескопом Європейської південної обсерваторії ESO «VISTA» в інфрачервоних променях. У міру того, як ніч просувалась земною кулею на захід, об'єкт спостерігався на Гавайських островах телескопами «Pan-STARRS» і «Subaru», причому була відзначена його швидка еволюція.
Спалах від зіткнення двох нейтронних зірок у галактиці NGC 4993 добре видно на знімку космічного телескопа Hubble. Спостереження з 22 по 28 серпня 2017 року показують, як вона поступово зникала. Credit: NASA/ESA
Оцінки відстані до об'єкта, отримані як з гравітаційно-хвильових даних, так і з інших спостережень, дали результати, що узгоджуються: GW170817 знаходиться на тій же відстані від Землі, що і галактика NGC 4993, тобто в 130 мільйонах світлових років. Таким чином, це найближче до нас із усіх виявлених джерел гравітаційних хвиль і одне з найближчих джерел гамма-сплесків, що коли-небудь спостерігалися.
Загадкова кілонова
Після того, як масивна зірка вибухає у вигляді наднової, на її місці залишається надщільне ядро, що сколапсувало: нейтронна зірка. Злиттями нейтронних зірок переважно пояснюються і короткі гамма-сплески. Вважається, що ця подія супроводжується вибухом у тисячу разів яскравішою за типову нову – так звану кілонову.
Художнє уявлення зіткнення двох нейтронних зірок у галактиці NGC 4993, що породило спалах кілонової та гравітаційні хвилі. Credit: ESO/L. Calgada/M. Kornmesser
«Це ні на що не схоже! Об'єкт дуже швидко став надзвичайно яскравим, а потім почав стрімко зникати, переходячи від синього кольору до червоного. Це неймовірно! - Розповідає Райан Фоулі з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі (США).
Майже одночасна реєстрація гравітаційних хвиль і гамма-променів від GW170817 породила надію на те, що це і є кілонова, що давно розшукується. Детальні спостереження на інструментах ESO і космічному телескопі Hubble дійсно виявили у цього об'єкта властивості дуже близькі до теоретичних передбачень, зроблених більше 30 років тому. Таким чином, отримано перше підтвердження спостереження існування кілонових.
Поки що неясно, який об'єкт породило злиття двох нейтронних зірок: чорну дірку чи нову нейтронну зірку. Подальший аналіз даних має відповісти на це запитання.
В результаті злиття двох нейтронних зірок та вибуху кілонової відбувається викид радіоактивних важких хімічних елементів, що розлітаються зі швидкістю в одну п'яту швидкості світла. Протягом кількох днів – швидше, ніж за будь-якого іншого зіркового вибуху – колір кілонової змінюється від яскраво-блакитного до дуже червоного.
«Дані, які ми отримали, чудово узгоджуються з теорією. Це тріумф теоретиків, підтвердження абсолютної реальності подій, зареєстрованих установками LIGO та VIRGO, та чудове досягнення ESO, якій вдалося отримати спостереження кілонової», – розповідає Стефано Ковіно з Астрофізичного інституту Італії, автор однієї з публікованих у Nature Astronomyстатей.
Деякі з елементів, що викидаються в космос при злитті двох нейтронних зірок. Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Спектри, отримані інструментами на дуже великому телескопі ESO, показують присутність цезію і телуру, викинутих у простір при злитті нейтронних зірок. Ці та інші важкі елементи розсіюються у космосі після вибухів кілонових. Таким чином, спостереження вказують на формування елементів важче заліза при ядерних реакціях у надрах надщільних зіркових об'єктів. Цей процес, званий r-нуклеосинтезом, раніше був відомий лише в теорії.
Важливість відкриття
Відкриття ознаменувало світанок нової ери в космології: тепер ми можемо не лише слухати, а й бачити події, що породжують гравітаційні хвилі! У короткостроковій перспективі аналіз нових даних дозволить вченим отримати більш точне уявлення про нейтронні зірки, а в майбутньому спостереження подібних подій допоможуть пояснити розширення Всесвіту, склад темної енергії, а також походження найважчих елементів у космосі.
Дослідження, що описують відкриття, представлені серією статей у журналах Nature, Nature Astronomyі Astrophysical Journal Letters.
Результати спостережень можуть у майбутньому пролити світло на загадку будови нейтронних зірок та утворення важких елементів у Всесвіті.
Художнє зображення гравітаційних хвиль, породжених злиттям двох нейтронних зірок
Зображення: R. Hurt/Caltech-JPL
Москва. 16 жовтня. Вчені вперше в історії зафіксували гравітаційні хвилі від злиття двох нейтронних зірок - надщільних об'єктів масою з наше Сонце і розміром з Москву, повідомляє сайт N+1.
Гамма-сплеск і спалах кілонової, що виникли потім, спостерігали близько 70 наземних і космічних обсерваторій - вони змогли побачити передбачений теоретиками процес синтезу важких елементів, у тому числі золота і платини, і підтвердити правоту гіпотез про природу загадкових коротких гамма-сплесків. LIGO/Virgo, Європейської Південної обсерваторії та обсерваторії Лос-Кумбрес. Результати спостережень можуть пролити світло на загадку будови нейтронних зірок та утворення важких елементів у Всесвіті.
Гравітаційні хвилі - хвилі коливань геометрії простору-часу, існування яких було передбачено загальною теорією відносності. Вперше про їхнє достовірне виявлення колаборація LIGO повідомила в лютому 2016 року - через 100 років після передбачень Ейнштейна.
Як повідомляється, вранці 17 серпня 2017 року (о 8:41 за часом Східного узбережжя США, коли в Москві було 15:41) автоматичні системи на одному з двох детекторів гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO зареєстрували прихід гравітаційної хвилі з космосу. Сигнал отримав позначення GW170817, це був п'ятий випадок фіксації гравітаційних хвиль з 2015 року, з моменту, коли вони були вперше зареєстровані. Усього за три дні до цього обсерваторія LIGO вперше "почула" гравітаційну хвилю разом із європейським проектом Virgo.
Однак цього разу вже за дві секунди після гравітаційної події космічний телескоп Fermi зафіксував спалах гамма-випромінювання на південному небі. Майже в цей момент спалах побачила європейсько-російська космічна обсерваторія INTEGRAL.
Автоматичні системи аналізу даних обсерваторії LIGO дійшли висновку, що випадковий збіг цих двох подій вкрай малоймовірний. У ході пошуку додаткової інформації було знайдено, що гравітаційну хвилю побачив і другий детектор LIGO, а також європейська гравітаційна обсерваторія Virgo. Астрономи всього світу були підняті "по тривозі" - полювання на джерело гравітаційних хвиль та гамма-сплеску розпочали безліч обсерваторій, у тому числі Європейська Південна обсерваторія та космічний телескоп Hubble.
Завдання було непростим - комбіновані дані LIGO/Virgo, Fermi та INTEGRAL дозволили окреслити область площею 35 квадратних градусів - це приблизна площа кількох сотень місячних дисків. Лише через 11 годин невеликий телескоп Swope з метровим дзеркалом, що знаходиться в Чилі, зробив перший знімок передбачуваного джерела – він виглядав як дуже яскрава зірка поряд із еліптичною галактикою NGC 4993 у сузір'ї Гідри. Протягом наступних п'яти днів яскравість джерела впала у 20 разів, а колір поступово зміщувався від синього до червоного. Весь цей час за об'єктом спостерігали безліч телескопів у діапазонах від рентгенівського до інфрачервоного, поки у вересні галактика не виявилася надто близькою до Сонця, і стала недоступною для спостережень.
Вчені дійшли висновку, що джерело спалаху знаходилося в галактиці NGC 4993 на відстані близько 130 мільйонів світлових років від Землі. Це неймовірно близько, досі гравітаційні хвилі приходили до нас із відстаней у мільярди світлових років. Завдяки цій близькості ми й змогли їх почути. Джерелом хвилі було злиття двох об'єктів з масами в діапазоні від 1,1 до 1,6 мас Сонця – це могли бути лише нейтронні зірки.
Локалізація джерела гравітаційних хвиль у галактиці NGC 4993
Сам сплеск "звучав" дуже довго - близько 100 секунд, давали сплески тривалістю в частки секунди. Пара нейтронних зірок оберталася навколо загального центру мас, поступово втрачаючи енергію як гравітаційних хвиль і зближуючись. Коли відстань між ними скоротилася до 300 км, гравітаційні хвилі стали досить потужними, щоб потрапити до зони чутливості гравітаційних детекторів LIGO/Virgo. Нейтронні зірки встигли здійснити 1,5 тисячі обертів навколо один одного. У момент злиття двох нейтронних зірок в один компактний об'єкт (нейтронну зірку або чорну дірку) відбувається потужний спалах гамма-випромінювання.
Такі гамма-спалахи астрономи називають короткими гамма-сплесками, гамма-телескопи фіксують їх приблизно раз на тиждень. Короткий гамма-сплеск від злиття нейтронних зірок, про який повідомляється, тривав 1,7 секунди.
Якщо природа довгих гамма-сплесків зрозуміліша (їх джерела - спалахи наднових), то єдності думок щодо джерел коротких сплесків був. Існувала гіпотеза, що їх породжують злиття нейтронних зірок.
Тепер вчені змогли вперше підтвердити цю гіпотезу, оскільки завдяки гравітаційним хвиль ми знаємо масу компонентів, що злилися, що доводить що це саме нейтронні зірки.
"Десятиліття ми підозрювали, що короткі гамма-сплески породжують злиття нейтронних зірок. Тепер, завдяки даним LIGO і Virgo про цю подію у нас є відповідь. Гравітаційні хвилі говорять нам, що об'єкти, що злилися, мали маси, що відповідають нейтронним зіркам, а гамма-спи , Що ці об'єкти навряд чи могли бути чорними дірками, оскільки зіткнення чорних дір не повинно породжувати випромінювання", - говорить Джулі МакЕнері, співробітник проекту Fermi Центру космічних польотів НАСА імені Годдарда.
Джерело золота та платини
Крім того, астрономи вперше отримали однозначне підтвердження існування кілонових (або "макронових") спалахів, які приблизно в 1 тис. разів потужніші від спалахів звичайних нових. Теоретики передбачали, що кілонові можуть виникати при злитті нейтронних зірок або нейтронної зірки та чорної дірки.
При цьому запускається процес синтезу важких елементів, заснований на захопленні ядрами нейтронів (r-процес), в результаті якого у Всесвіті з'явилося багато важких елементів, таких як золото, платина або уран.
За підрахунками вчених, за одного вибуху кілонової може виникнути величезна кількість золота - до десяти мас Місяця. Досі лише один раз спостерігалася подія, яка могла бути вибухом кілонової.
Тепер астрономи змогли вперше спостерігати не лише народження кілонової, а й продукти її "роботи". Спектри, отримані за допомогою телескопів Hubble та VLT (Very Large Telescope), показали наявність цезію, телуру, золота, платини та інших важких елементів утворених при злитті нейтронних зірок.
Через 11 годин після зіткнення температура кілонової становила 8 тис. градусів, а швидкість її розширення досягла близько 100 тис. кілометрів за секунду, зазначає N+1 з посиланням на дані Державного астрономічного інституту імені Штернберга (ДАІШ).
У ESO повідомили, що спостереження практично ідеально збіглося з прогнозом поведінки двох нейтронних зірок при злитті.
"Поки дані, які ми отримали, чудово узгоджуються з теорією. Це тріумф теоретиків, підтвердження абсолютної реальності подій, зареєстрованих обсерваторіями LIGO та VIrgo, та чудове досягнення ESO, якій вдалося отримати такі спостереження кілонової", - каже Стефано Ковіно, перший автор однієї з статей у Nature Astronomy.
Так зіткнення нейтронних зірок побачили астрономи
У вчених поки немає відповіді на питання про те, що залишилося після злиття нейтронних зірок - це може бути як чорна дірка, так і нова нейтронна зірка, крім того, не зовсім ясно, чому гамма-сплеск виявився відносно слабким.
Вперше в історії людства астрономи зареєстрували гравітаційні хвилі від злиття двох нейтронних зірок. Подія в галактиці NGC 4993 "відчули" 17 серпня гравітаційні обсерваторії LIGO/Virgo. Після ними до спостережень підключилися й інші астрономічні інструменти. У результаті за подією спостерігали 70 обсерваторій, і за даними спостережень сьогодні було опубліковано щонайменше 20(!) наукових статей.
Чутки про те, що детектори LIGO/Virgo нарешті зареєстрували нову подію і це не чергове злиття чорних дірок, поповзли соціальними мережами вже 18 серпня. Заяви саме про нього чекали наприкінці вересня, але тоді вчені обмежилися лише про чергову гравітаційно-хвильову подію за участю двох чорних дірок - вона сталася за 1,8 мільярда світлових років від Землі, у його спостереженні 14 серпня вперше взяли участь не лише американські детектори, але й європейський Virgo, який «включився» у полювання на коливання простору-часу за два тижні до цього.
New LIGO. Source with optical counterpart. Blow your sox off!
J Craig Wheeler (@ast309) August 18, 2017
Після цього колаборація свою заслужену Нобелівську премію з фізики - за детекцію гравітаційних хвиль і підтвердження правоти Ейнштейна, який передбачив їхнє існування, - і ось тепер розповіла світові про відкриття, яке приберегла "на солодке".
Що саме сталося?
Нейтронні зірки – це дуже, дуже маленькі та дуже щільні об'єкти, які виникають зазвичай у результаті спалахів наднових зірок. Типовий діаметр такої зірки 10-20 км, а маса порівнянна з масою Сонця (діаметр якого в 100 000 000 разів більше), так що щільність речовини нейтронної зірки в кілька разів перевищує щільність атомного ядра. На сьогоднішній момент нам відомо кілька тисяч таких об'єктів, але подвійних систем - лише півтора-два десятки.
Килонова (за аналогією зі "надновою"), гравітаційний ефект якої зареєстрували LIGO/Virgo 17 серпня, знаходиться в сузір'ї Гідра на відстані 130 мільйонів світлових років від Землі. Вона виникла внаслідок злиття двох нейтронних зірок масами в діапазоні від 1,1 до 1,6 мас Сонця. Про те, наскільки близько до нас виявилася ця подія, говорить те, що в той час, як сигнал від подвійних чорних дірок, що зливаються, зазвичай знаходився в діапазоні чутливості детекторів LIGO протягом часток секунди, сигнал, зареєстрований 17 серпня, тривав близько 100 секунд.
«Це не перша зареєстрована кілонова, - сказав у розмові з кореспондентом „Горища“ астрофізик Сергій Попов, провідний науковий співробітник Державного астрономічного інституту ім. П.К. Штернберга, але їх перерахувати можна було навіть не на пальцях однієї руки, а мало не на вухах. Їх було буквально одна-дві».
Майже в той же час приблизно через дві секунди після гравітаційних хвиль космічний гамма-телескоп НАСА «Фермі» та Міжнародна орбітальна обсерваторія гамма-променів (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL) зареєстрували сплески гамма-променів. У наступні дні вчені зареєстрували електромагнітне випромінювання та в інших діапазонах, включаючи рентгенівські, ультрафіолетові, оптичні, інфрачервоні та радіохвилі.
Отримавши координати, кілька обсерваторій вже за кілька годин змогли розпочати пошук у сфері неба, де імовірно сталася подія. Нова світла точка, що нагадує нову зірку, була виявлена оптичними телескопами, і в результаті близько 70 обсерваторій спостерігали цю подію у різних діапазонах довжин хвиль.
«Вперше, на відміну від „одиноких“ злиттів чорних дірок, зареєстровано „компанійську“ подію не лише гравітаційними детекторами, а ще й оптичними та нейтринними телескопами. Це перший такий хоровод спостережень навколо однієї події», - розповів професор фізичного факультету МДУ Сергій В'ятчанін, який входить до групи російських учених, які брали участь у спостереженні за явищем під керівництвом професора фізичного факультету МДУ Валерія Митрофанова.
У момент зіткнення основна частина двох нейтронних зірок злилася в один ультращільний об'єкт, що випромінює гамма-промені. Перші вимірювання гамма-випромінювання у поєднанні з детектуванням гравітаційних хвиль підтверджують прогноз загальної теорії відносності Ейнштейна, а саме, що гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю світла.
«У всіх попередніх випадках джерелом гравітаційних хвиль були чорні діри, що зливаються. Хоч як це парадоксально, чорні дірки - це дуже прості об'єкти, що складаються виключно з викривленого простору і тому повністю описуються добре відомими законами загальної теорії відносності. У той самий час структура нейтронних зірок і, зокрема, рівняння стану нейтронної матерії досі достеменно невідомі. Тому вивчення сигналів від нейтронних зірок, що зливаються, дозволить отримати величезну кількість нової інформації також і про властивості надщільної матерії в екстремальних умовах», - сказав професор фізичного факультету МДУ Фаріт Халілі, який також входить до групи Митрофанова.
Яким є значення цього відкриття?
По-перше, спостереження за злиттям нейтронних зірок - ще одна наочна демонстрація ефективності астрономічних спостережень, першопрохідниками яких стали детектори LIGO і Virgo.
«Це народження нової науки! Такий сьогодні день, - повідомив „Горище” завідувач лабораторії космічного моніторингу ДАІШ МДУ та керівник проекту МАЙСТЕР Володимир Липунов. - Вона називатиметься гравітаційною астрономією. Це коли всі тисячолітні методи астрономії, які тисячі астрономів застосовували багато тисяч років, напрацьовували, стануть корисними для гравітаційно-хвильової тематики. До сьогодні все це було чистою фізикою, тобто навіть фантазією з погляду публіки, а тепер це вже реальність. Нова реальність».
«Півтора роки тому, коли було відкрито гравітаційні хвилі, було відкрито новий спосіб вивчення Всесвіту, вивчення природи Всесвіту. І цей новий спосіб вже за півтора року продемонстрував свою здатність давати нам важливу, глибоку інформацію про різні явища у Всесвіті. Кілька десятків років гравітаційні хвилі тільки намагалися детектувати, і тут разів - півтора роки тому їх детектували, отримали Нобелівську премію, і тепер минуло півтора роки, і дійсно показано, що крім прапора, який все піднімали - ага, Ейнштейн мав рацію! - це справді працюючий вже зараз, тільки на початку науки гравітаційної астрономії, він виявляється настільки ефективним, щоб вивчати різні явища у Всесвіті», - сказав кореспонденту «Горища» астрофізик Юрій Ковальов, керівник лабораторії фундаментальних та прикладних досліджень релятивістських об'єктів Всесвіту МФТІ, ФІАН, керівник наукової програми проекту "Радіоастрон".
Крім цього, під час спостережень було зібрано величезну кількість нових даних. Зокрема, було зафіксовано, що у процесі злиття нейтронних зірок утворюються важкі елементи, такі як золото, платина та уран. Це підтверджує одну з існуючих теорій походження важких елементів у Всесвіті. Раніше моделювання вже демонструвало, що тільки спалахів наднових для синтезу важких елементів у Всесвіті недостатньо, і в 1999 група швейцарських учених припустила, що ще одним джерелом важких елементів можуть служити злиття нейтронних зірок. І хоча кілонові набагато рідкіші, ніж спалахи наднових, саме вони можуть генерувати більшу частину важких елементів.
«Уявіть собі, ви ніколи не знаходили на вулиці грошей і тут нарешті знайшли. І це одразу тисяча доларів, – каже Сергій Попов. - По-перше, це підтвердження того, що гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю світла, підтвердження з точністю до 10-15. Це дуже важлива річ. По-друге, це кілька чисто технічних підтверджень низки положень загальної теорії відносності, що дуже важливо задля фундаментальної фізики взагалі. По-третє – якщо повернутися до астрофізики – це підтвердження того, що короткі гамма-сплески – це злиття нейтронних зірок. А щодо важких елементів, то, звісно, не те щоб у таке раніше ніхто не вірив. Але не було такого розкішного комплексу даних».
І цей комплекс даних вже в перший день дозволив ученим опублікувати, за підрахунками «Горища», як мінімум 20 статей (вісім у Science, п'ять Nature, дві в Physical Review Lettersі п'ять у Astrophysical Journal Letters). За підрахунками журналістів Science, Число авторів статті, що описує подію, приблизно відповідає третині всіх діючих астрономів. Чи чекаєте ви продовження? Ми – так.
МОСКВА, 16 жовтня /ТАС/. Детектори LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, США) та Virgo (аналогічна обсерваторія в Італії) вперше зареєстрували гравітаційні хвилі від злиття двох нейтронних зірок. Про це відкриття оголошено у понеділок під час міжнародної прес-конференції, що пройшла одночасно у Москві, Вашингтоні та низці міст в інших країнах.
"Вчені вперше зафіксували гравітаційні хвилі від злиття двох нейтронних зірок, причому це явище спостерігали не тільки на лазерних інтерферометрах, що реєструють гравітаційні хвилі, але і за допомогою космічних обсерваторій (INTEGRAL, Fermi) і наземних телескопів, що реєструють електромагнітне випромінювання. близько 70 наземних та космічних обсерваторій по всьому світу, серед яких мережа роботів-телескопів МАЙСТЕР (МДУ ім. М.В. Ломоносова)", - йдеться у повідомленні прес-служби МДУ.
Коли та як зареєстрували
Відкриття, про яке вчені повідомили у понеділок, було зроблено ще 17 серпня. Тоді обидва детектори LIGO зареєстрували гравітаційний сигнал, який отримав назву GW170817. Інформація, надана третім детектором Virgo, дозволила значно покращити локалізацію космічної події.
Майже в той же час приблизно через дві секунди після гравітаційних хвиль космічний гамма-телескоп NASA Fermi та Міжнародна орбітальна обсерваторія гамма променів (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL) виявили сплески гамма-променів. У наступні дні вчені зареєстрували електромагнітне випромінювання та в інших діапазонах, включаючи рентгенівські, ультрафіолетові, оптичні, інфрачервоні та радіохвилі.
Сигнали детекторів LIGO показали, що зареєстровані гравітаційні хвилі випромінювались двома астрофізичними об'єктами, що обертаються один щодо одного і розташованими на відносно близькій відстані - близько 130 млн. світлових років - від Землі. Виявилося, що об'єкти були менш потужними, ніж раніше виявлені LIGO і Virgo подвійні темні діри. Згідно з обчисленнями, їх маси знаходилися в діапазоні від 1,1 до 1,6 маси Сонця, що потрапляє в область мас нейтронних зірок, найменших і найщільніших серед зірок. Їх типовий радіус складає лише 10-20 км.
Якщо сигнал від подвійних чорних дірок, що зливаються, зазвичай знаходився в діапазоні чутливості детекторів LIGO протягом часток секунди, то сигнал, зареєстрований 17 серпня, тривав близько 100 секунд. Приблизно через дві секунди після злиття зірок стався спалах гамма-випромінювання, який був зареєстрований космічними гамма-телескопами.
Швидке виявлення гравітаційних хвиль командою LIGO-Virgo у поєднанні з виявленням гамма-випромінювання дозволило запустити спостереження оптичними та радіотелескопами по всьому світу.
Отримавши координати, кілька обсерваторій вже за кілька годин змогли розпочати пошук у сфері неба, де імовірно сталася подія. Нова світла точка, що нагадує нову зірку, була виявлена оптичними телескопами, і в результаті близько 70 обсерваторій на землі та в космосі спостерігали цю подію у різних діапазонах довжин хвиль.
У наступні дні після зіткнення було зареєстровано електромагнітне випромінювання в рентгенівському, ультрафіолетовому, оптичному, інфрачервоному та радіохвильовому діапазонах.
"Вперше, на відміну від "одиноких" злиттів чорних дірок, зареєстровано "компанійську" подію не лише гравітаційними детекторами, а ще й оптичними та нейтринними телескопами. Це перший такий хоровод спостережень навколо однієї події", - розповів професор фізичного факультету МДУ Сергій В'ятчанин, який входить у групу російських учених, які брали участь у спостереженні явищем, під керівництвом професора фізичного факультету МДУ Валерія Митрофанова.
Теоретики передбачають, що при зіткненні нейтронних зірок повинні випромінюватись гравітаційні хвилі та гамма-промені, а також вивергатися потужні струмені речовини, що супроводжуються випромінюванням електромагнітних хвиль у широкому частотному діапазоні.
Виявлений гамма-сплеск є так званим коротким гамма-сплеском. Раніше вчені лише пророкували, що короткі гамма-сплески генеруються при злитті нейтронних зірок, а тепер це підтверджено спостереженнями. Але, незважаючи на те, що джерело виявленого короткого гамма-сплеску було одним із найближчих до Землі, видимих досі, сам сплеск був несподівано слабким для такої відстані. Тепер вченим належить знайти пояснення цього факту.
Зі швидкістю світла
У момент зіткнення основна частина двох нейтронних зірок злилася в один ультращільний об'єкт, що випромінює гамма-промені. Перші вимірювання гамма-випромінювання у поєднанні з детектуванням гравітаційних хвиль підтверджують прогноз загальної теорії відносності Ейнштейна, а саме, що гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю світла.
"YouTube/Georgia Tech"
"У всіх попередніх випадках джерелом гравітаційних хвиль були чорні діри, що зливаються. Як це не парадоксально, чорні діри - це дуже прості об'єкти, що складаються виключно з викривленого простору і тому повністю описуються добре відомими законами загальної теорії відносності. У той же час, структура нейтронних зірок і, зокрема, рівняння стану нейтронної матерії досі точно невідомі. Тому вивчення сигналів від нейтронних зірок, що зливаються, дозволить отримати величезну кількість нової інформації також і про властивості надщільної матерії в екстремальних умовах", - сказав професор фізичного факультету МДУ Фаріт Халілі, який так ж входить у групу Митрофанова.
Фабрика важких елементів
Теоретики передбачили, що в результаті злиття утворюється "кілонова". Це явище, при якому матеріал, що залишається від зіткнення нейтронних зірок, яскраво світиться і викидається з області зіткнення далеко в космос. У цьому виникають процеси, у яких створюються важкі елементи, такі як свинець і золото. Спостереження після світіння злиття нейтронних зірок дозволяють отримувати додаткову інформацію про різні стадії цього злиття, про взаємодію об'єкта, що утворився з навколишнім середовищем і про процеси, які виробляють найважчі елементи у Всесвіті.
"У процесі злиття зафіксовано утворення важких елементів. Тому можна говорити навіть про галактичну фабрику з виробництва важких елементів, у тому числі золота - адже саме цей метал найбільше цікавить землян. Вчені починають пропонувати моделі, які пояснили б параметри цього злиття, що спостерігаються", - наголосив Вятчанин.
Про колаборацію LIGO-LSC
Наукова колаборація LIGO-LSC (LIGO Scientific Collaboration) об'єднує понад 1200 вчених із 100 інститутів різних країн. Обсерваторія LIGO побудована та експлуатується Каліфорнійським та Масачусетським технологічними інститутами. Партнером LIGO є колаборація Virgo, в якій працюють 280 європейських вчених та інженерів із 20 дослідницьких груп. Детектор Virgo знаходиться недалеко від Пізи (Італія).
У дослідженнях LIGO Scientific Collaboration беруть участь два наукові колективи з Росії: група фізичного факультету Московського державного університету імені М.В. Ломоносова та група Інституту прикладної фізики РАН (Нижній Новгород). Дослідження підтримуються Російським фондом фундаментальних досліджень та Російським науковим фондом.
Детектори LIGO у 2015 році вперше зареєстрували гравітаційні хвилі від зіткнення чорних дірок, а у лютому 2016 року про відкриття було оголошено на прес-конференції. У 2017 році лауреатами Нобелівської премії з фізики стали американські фізики Райнер Вайсс, Кіп Торн та Беррі Беріш за вирішальний внесок у проект LIGO, а також "спостереження за гравітаційними хвилями".