Слияние двух нейтронных звезд. Впервые зарегистрированы гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд. Что все это значит

Сразу во всех диапазонах спектра плюс - зарегистрировать гравитационные волны от этого события. На фотографии, сделанной телескопом «Хаббл», показана галактика NGC 4993, в которой это произошло. Желтое пятно выше и левее центра галактики - это вспышка от слияния. На врезках показано, как она менялась с 22 по 28 августа.

Сам гравитационно-волновой всплеск произошел 17 августа этого года, а потому получил наименование GW170817 . В начале его поймали на VIRGO (установка удачно подключилась на непродолжительное время к научной наблюдательной сессии LIGO), а затем - через доли секунды - на американских детекторах. Наблюдаемый всплеск длился почти две минуты! Это стоит послушать!

Но самое главное, что через 1,7 секунды гамма-детекторы на спутниках Fermi и INTEGRAL зарегистрировали короткий гамма-всплеск, получивший наименование GRB 170817A . Как быстро выяснилось - это связанные события.

Гравитационные детекторы не могут очень точно определить точку всплеска на небе, даже в этом случае, когда сработало три детектора, площадь неопределенности составляла около 30 квадратных градусов (более 100 лунных дисков), а вот гамма-детекторы могут определять координаты гораздо точнее. Поэтому сразу удалось подключить наблюдателей, работающих во всем диапазоне спектра (кроме того, были проанализированы данные нейтринных детекторов, но они ничего не увидели, как, впрочем, и ожидалось). И это привело к потрясающему открытию - всплеск и его послесвечение удалось увидеть и в рентгеновском, и в оптическом, и в ультрафиолетовом, и в инфракрасном диапазонах!

Поскольку гравитационно-волновой сигнал и гамма-всплеск пришли практически одновременно, можно с высокой точностью (примерно 10 −15) утверждать, что скорость распространения гравитационных волн равна скорости света (заметим, что задержка скорее всего связана не с разницей скоростей, а с физикой генерации гамма-всплеска). Кроме того, удалось с более высокой точностью, чем ранее, проверить еще несколько предсказаний Общей теории относительности.

Наличие гравитационно-волнового сигнала позволяет непосредственно определить расстояние до сливающихся объектов. А данные оптических измерений дают идентификацию галактики, то есть позволяют определить красное смещение. Вместе эти независимые измерения позволяют определить постоянную Хаббла . Пока, правда, они не слишком точны - 60–80 (км/c)/Мпк. Эта точность хуже, чем в ряде других космологических измерений. Однако важно, что в данном случае постоянная Хаббла измеряется совсем другим независимым методом, к тому же - модельно независимым (то есть, не надо закладывать дополнительные теоретические предположения для получения результата). Поэтому можно надеяться, что в будущем подобные данные по наблюдению слияний нейтронных звезд с помощью гравитационно-волновых детекторов в галактиках с известным красным смещением станут источником существенной космологической информации.

Итак. На расстоянии 130 миллионов световых лет (40 мегапарсек) в галактике NGC 4993 произошло слияние двух нейтронных звезд. В результате произошел гравитационно-волновой всплеск, а также выделилось большое количество энергии в разных диапазонах электромагнитного спектра.

Кроме основной вспышки на протяжении некоторого времени астрономы наблюдали также так называемую килоновую (их иногда еще называют макроновыми, см. Kilonova). Это излучение связано с распадом радиоактивных элементов, синтезированных в результате слияния нейтронных звезд. Синтез идет в результате так называемого r-процесса, буква «r» здесь - от слова rapid (быстрый). После слияния расширяющееся вещество пронизывается потоком нейтронов и нейтрино. Это создает благоприятные условия для превращения ядер элементов в более тяжелые. Ядра захватывают нейтроны, которые затем внутри ядра могут превращаться в протоны, в результате чего ядро перепрыгивает на одну клеточку в таблице Менделеева. Так можно «допрыгать» не только до свинца, но и до урана и тория. Современные расчеты показывают, что основная часть тяжелых элементов (с массой более 140), например, золото и платина, синтезируются именно в результате слияния нейтронных звезд, а не в процессе взрывов сверхновых.

Таким образом, от одного события получен большой комплекс данных, интересный для самых разных областей физики и астрофизики:

1. Доказана связь коротких гамма-всплесков со слияниями нейтронных звезд. Новые данные позволят гораздо лучше разобраться в физике коротких гамма-всплесков.
2. Удалось провести прекрасную проверку ряда предсказаний ОТО (скорость распространения гравитационных волн, лоренц-инвариантность , принцип эквивалентности).
3. Получены уникальные данные по синтезу элементов при слиянии нейтронных звезд.
4. Удалось получить прямое измерение постоянной Хаббла

Ждем, что последующие наблюдения помогут с высокой точность определять массы и радиусы нейтронных звезд (что важно для понимания их строения, то есть актуально и для ядерной физики), а также ждем события, где слияние двух нейтронных звезд приведет к наблюдаемому формированию черной дыры. Кстати, сказать точно, что произошло в результате этого события - нельзя (но скорее всего, все-таки сформировалась черная дыра).

В заключение отметим, что астрономам очень и очень повезло. Во-первых, всплеск очень близкий. Во-вторых, вероятность того, что гравитационно-волновой всплеск будет сопровождаться гамма-всплеском, - не очень велика. Будем надеяться, что астрономам будет везти и дальше!

Оригинальные статьи с материалами, связанными с открытием, можно найти на сайте LIGO .

Сергей Попов

Впервые в истории человечества астрономы зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд. Событие в галактике NGC 4993 «почуяли» 17 августа гравитационные обсерватории LIGO/Virgo. Вслед за ними к наблюдениям подключились и другие астрономические инструменты. В итоге за событием наблюдали 70 обсерваторий, и по данным наблюдений сегодня было опубликовано как минимум 20(!) научных статей.

Слухи о том, что детекторы LIGO/Virgo наконец зарегистрировали новое событие и это не очередное слияние черных дыр, поползли по социальным сетям уже 18 августа. Заявления именно о нем ждали в конце сентября, но тогда ученые ограничились лишь об очередном гравитационно-волновом событии с участием двух черных дыр - оно произошло в 1,8 миллиарда световых лет от Земли, в его наблюдении 14 августа впервые поучаствовали не только американские детекторы, но и европейский Virgo, который «включился» в охоту за колебаниями пространства-времени за две недели до этого.

New LIGO. Source with optical counterpart. Blow your sox off!

J Craig Wheeler (@ast309) August 18, 2017

После этого коллаборация свою заслуженную Нобелевскую премию по физике - за детекцию гравитационных волн и подтверждение правоты Эйнштейна, предсказавшего их существование, - и вот теперь поведала миру об открытии, которое приберегла «на сладкое».

Что именно произошло?

Нейтронные звезды - это очень, очень маленькие и очень плотные объекты, которые возникают обычно в результате вспышек сверхновых звезд. Типичный диаметр такой звезды 10-20 км, а масса сравнима с массой Солнца (диаметр которого в 100 000 000 раз больше), так что плотность вещества нейтронной звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра. На сегодняшний момент нам известно несколько тысяч таких объектов, но вот двойных систем - лишь полтора-два десятка.

Килоновая (по аналогии со «сверхновой»), гравитационный эффект которой зарегистрировали LIGO/Virgo 17 августа, находится в созвездии Гидра на расстоянии 130 миллионов световых лет от Земли. Она возникла в результате слияния двух нейтронных звезд массами в диапазоне от 1,1 до 1,6 масс Солнца. О том, насколько близко к нам оказалось это событие, говорит то, что в то время, как сигнал от сливающихся двойных черных дыр обычно находился в диапазоне чувствительности детекторов LIGO в течение долей секунды, сигнал, зарегистрированный 17 августа, длился около 100 секунд.

«Это не первая зарегистрированная килоновая, - сказал в беседе с корреспондентом „Чердака“ астрофизик Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга, - но их перечислить можно было даже не по пальцам одной руки, а чуть ли не по ушам. Их было буквально одна-две».

Почти в то же время, примерно через две секунды после гравитационных волн, космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» и Международная орбитальная обсерватория гамма-лучей (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL) зарегистрировали всплески гамма-лучей. В последующие дни ученые зарегистрировали электромагнитное излучение и в других диапазонах, включая рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радиоволны.

Получив координаты, несколько обсерваторий уже через несколько часов смогли начать поиск в области неба, где предположительно произошло событие. Новая светлая точка, напоминающая новую звезду, была обнаружена оптическими телескопами, и в итоге около 70 обсерваторий наблюдали это событие в различных диапазонах длин волн.

«Впервые, в отличие от „одиноких“ слияний черных дыр, зарегистрировано „компанейское“ событие не только гравитационными детекторами, но еще и оптическими и нейтринными телескопами. Это первый такой хоровод наблюдений вокруг одного события», - рассказал профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин, который входит в группу российских ученых, участвовавших в наблюдении за явлением под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова.

В момент столкновения основная часть двух нейтронных звезд слилась в один ультраплотный объект, испускающий гамма-лучи. Первые измерения гамма-излучения в сочетании с детектированием гравитационных волн подтверждают предсказание общей теории относительности Эйнштейна, а именно, что гравитационные волны распространяются со скоростью света.

«Во всех предыдущих случаях источником гравитационных волн были сливающиеся черные дыры. Как это ни парадоксально, черные дыры - это очень простые объекты, состоящие исключительно из искривленного пространства и поэтому полностью описывающиеся хорошо известными законами общей теории относительности. В то же время структура нейтронных звезд и, в частности, уравнение состояния нейтронной материи до сих пор точно неизвестны. Поэтому изучение сигналов от сливающихся нейтронных звезд позволит получить огромное количество новой информации также и о свойствах сверхплотной материи в экстремальных условиях», - сказал профессор физического факультета МГУ Фарит Халили, который также входит в группу Митрофанова.

Каково значение этого открытия?

Во-первых, наблюдение за слиянием нейтронных звезд - еще одна наглядная демонстрация эффективности астрономических наблюдений, первопроходцами в которых стали детекторы LIGO и Virgo.

«Это рождение новой науки! Такой сегодня день, - сообщил „Чердаку“ заведующий лабораторией космического мониторинга ГАИШ МГУ и руководитель проекта МАСТЕР Владимир Липунов. - Она будет называться гравитационная астрономия. Это когда все тысячелетние методы астрономии, которые тысячи астрономов применяли многие тысячи лет, нарабатывали, станут полезными для гравитационно-волновой тематики. До сегодняшнего дня все это было чистой физикой, то есть даже фантазией с точки зрения публики, а теперь это уже реальность. Новая реальность».

«Полтора года назад, когда были открыты гравитационные волны, был открыт новый способ изучения Вселенной, изучения природы Вселенной. И этот новый способ уже за полтора года продемонстрировал свою способность давать нам важную, глубокую информацию о разных явлениях во Вселенной. Несколько десятков лет гравитационные волны только пытались детектировать, и тут раз - полтора года назад их детектировали, получили Нобелевскую премию, и теперь прошло полтора года, и действительно показано, что кроме флага, который все поднимали - ага, Эйнштейн был прав! - это действительно работающий уже сейчас, только в начале науки гравитационной астрономии, он оказывается настолько эффективным, чтобы изучать разные явления во Вселенной», - сказал корреспонденту «Чердака» астрофизик Юрий Ковалев, руководитель лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ, заведующий лабораторией ФИАН, руководитель научной программы проекта «Радиоастрон».

Кроме этого, в ходе наблюдений было собрано огромное количество новых данных. В частности, было зафиксировано, что в процессе слияния нейтронных звезд образуются тяжелые элементы, такие как золото, платина и уран. Это подтверждает одну из существующих теорий происхождения тяжелых элементов во Вселенной. Ранее моделирование уже демонстрировало, что одних только вспышек сверхновых для синтеза тяжелых элементов во Вселенной недостаточно, и в 1999 году группа швейцарских ученых предположила , что еще одним источником тяжелых элементов могут служить слияние нейтронных звезд. И хотя килоновые намного более редки, чем вспышки сверхновых, именно они могут генерировать большую часть тяжелых элементов.

«Представьте себе, вы никогда не находили на улице денег, и тут наконец нашли. И это сразу тысяча долларов, - говорит Сергей Попов. - Во-первых, это подтверждение того, что гравитационные волны распространяются со скоростью света, подтверждение с точностью до 10 -15 . Это очень важная штука. Во-вторых, это некоторое число чисто технических подтверждений ряда положений общей теории относительности, что очень важно для фундаментальной физики вообще. В-третьих - если вернуться к астрофизике - это подтверждение того, что короткие гамма-всплески - это слияние нейтронных звезд. А что касается тяжелых элементов, то, конечно, не то чтобы в подобное прежде никто не верил. Но не было такого шикарного комплекса данных».

И этот комплекс данных уже в первый день позволил ученым опубликовать, по подсчетам «Чердака», как минимум 20 статей (восемь в Science , пять в Nature , две в Physical Review Letters и пять в Astrophysical Journal Letters ). По подсчетам журналистов Science , число авторов статьи, описывающей событие, примерно соответствует трети всех действующих астрономов. Ждете ли вы продолжения? Мы - да.

Вчера на пресс-конференции в Вашингтоне учёные официально объявили о регистрации астрономического события, которое никто не регистрировал раньше - слияния двух нейтронных звёзд. По результатам наблюдения было опубликовано более 30 научных статей в пяти журналах, поэтому рассказать сразу обо всём мы не можем. Вот краткое изложение и самые главные открытия.
Астрономы наблюдали слияние двух нейтронных звёзд и рождение новой чёрной дыры. Нейтронные звёзды - объекты, которые появляются в результате взрывов больших и массивных (в несколько раз тяжелее Солнца) звёзд. Их размеры невелики (в диаметре они обычно не больше 20 километров), зато плотность и масса огромны. В результате слияния двух нейтронных звёзд в 130 миллионах световых лет от Земли образовалась черная дыра - объект еще более массивный и плотный, чем нейтронная звезда. Слияние звёзд и образование чёрной дыры сопровождалось выделением огромной энергии в форме гравитационного, гамма- и оптического излучения. Все три вида излучения зафиксировали земные и орбитальные телескопы. Гравитационную волну зарегистрировали обсерватории LIGO и VIRGO.
Эта гравитационная волна была самой высокоэнергетической из всех, наблюдавшихся до сих пор. Все виды излучения дошли до Земли 17 августа. Сначала наземные лазерные интерферометры LIGO и Virgo зарегистрировали периодическое сжатие и расширение пространства-времени - гравитационную волну, несколько раз обогнувшую земной шар. Событие, породившее гравиволну, получило название GRB170817A. Через несколько секунд гамма-телескоп NASA «Ферми» зарегистрировал фотоны высокой энергии в гамма-диапазоне. А дальше началось нечто: получив предупреждение коллаборации LIGO/Virgo, астрономы по всей Земле настроили свои телескопы на координаты источника излучения. В этот день в одну точку пространства смотрели большие и маленькие, наземные и орбитальные телескопы, работающие во всех диапазонах. По результатам наблюдений в Калифорнийском университете (Беркли) сделали компьютерную симуляцию слияния нейтронных звёзд. Обе звезды были, по всей видимости, массой немногим больше Солнца (но при этом гораздо меньшего радиуса). Эти два шара невероятной плотности кружились друг вокруг друга, постоянно ускоряясь. Вот как это было: В результате слияния нейтронных звёзд в космическое пространство попали атомы тяжёлых элементов - золота, урана, платины; астрономы полагают, что такие события - это главный источник этих элементов во Вселенной. Оптические телескопы сначала «увидели» синий видимый свет, а затем ультрафиолетовое излучение, которое сменилось красным светом и излучением в инфракрасном диапазоне.
Эта последовательность совпадает с теоретическими предсказаниями. Согласно теории, сталкиваясь, нейтронные звёзды теряют часть вещества - оно распыляется вокруг места столкновения огромным облаком нейтронов и протонов. Когда начинает формироваться черная дыра, вокруг нее образуется аккреционный диск, в котором частицы вращаются с огромной скоростью - настолько огромной, что некоторые преодолевают притяжение чёрной дыры и разлетаются прочь. Такая судьба ожидает примерно 2% вещества столкнувшихся звёзд. Это вещество образует вокруг чёрной дыры облако диаметром в десятки тысяч километров и плотностью, примерно равной плотности Солнца. Протоны и нейтроны, из которых состояит это облако, слипаются, образуя атомные ядра. Затем начинается распад этих ядер. Излучение распадающихся ядер земные астрономы наблюдали в течение нескольких дней. За миллионы лет, прошедшие со времени события GRB170817A, это излучение наполнило всю галактику.

Сегодня на пресс-конференции в Вашингтоне учёные официально объявили о регистрации астрономического события, которое никто не регистрировал раньше — слияния двух нейтронных звёзд. По результатам наблюдения было опубликовано более 30 научных статей в пяти журналах, поэтому рассказать сразу обо всём мы не можем. Вот краткое изложение и самые главные открытия.

Астрономы наблюдали слияние двух нейтронных звёзд и рождение новой чёрной дыры.

Нейтронные звёзды — объекты, которые появляются в результате взрывов больших и массивных (в несколько раз тяжелее Солнца) звёзд. Их размеры невелики (в диаметре они обычно не больше 20 километров), зато плотность и масса огромны.

В результате слияния двух нейтронных звёзд в 130 миллионах световых лет от Земли образовалась черная дыра — объект еще более массивный и плотный, чем нейтронная звезда. Слияние звёзд и образование чёрной дыры сопровождалось выделением огромной энергии в форме гравитационного, гамма- и оптического излучения. Все три вида излучения зафиксировали земные и орбитальные телескопы. Гравитационную волну зарегистрировали обсерватории LIGO и VIRGO.

Эта гравитационная волна была самой высокоэнергетической из всех, наблюдавшихся до сих пор.

Все виды излучения дошли до Земли 17 августа. Сначала наземные лазерные интерферометры LIGO и Virgo зарегистрировали периодическое сжатие и расширение пространства-времени — гравитационную волну, несколько раз обогнувшую земной шар. Событие, породившее гравиволну, получило название GRB170817A. Через несколько секунд гамма-телескоп NASA «Ферми» зарегистрировал фотоны высокой энергии в гамма-диапазоне.

В этот день в одну точку пространства смотрели большие и маленькие, наземные и орбитальные телескопы, работающие во всех диапазонах.

По результатам наблюдений в Калифорнийском университете (Беркли) сделали компьютерную симуляцию слияния нейтронных звёзд. Обе звезды были, по всей видимости, массой немногим больше Солнца (но при этом гораздо меньшего радиуса). Эти два шара невероятной плотности кружились друг вокруг друга, постоянно ускоряясь. Вот как это было:

В результате слияния нейтронных звёзд в космическое пространство попали атомы тяжёлых элементов — золота, урана, платины; астрономы полагают, что такие события — это главный источник этих элементов во Вселенной. Оптические телескопы сначала «увидели» синий видимый свет, а затем ультрафиолетовое излучение, которое сменилось красным светом и излучением в инфракрасном диапазоне.

Эта последовательность совпадает с теоретическими предсказаниями. Согласно теории, сталкиваясь, нейтронные звёзды теряют часть вещества — оно распыляется вокруг места столкновения огромным облаком нейтронов и протонов. Когда начинает формироваться черная дыра, вокруг нее образуется аккреционный диск, в котором частицы вращаются с огромной скоростью — настолько огромной, что некоторые преодолевают притяжение чёрной дыры и разлетаются прочь.

Такая судьба ожидает примерно 2% вещества столкнувшихся звёзд. Это вещество образует вокруг чёрной дыры облако диаметром в десятки тысяч километров и плотностью, примерно равной плотности Солнца. Протоны и нейтроны, из которых состояит это облако, слипаются, образуя атомные ядра. Затем начинается распад этих ядер. Излучение распадающихся ядер земные астрономы наблюдали в течение нескольких дней. За миллионы лет, прошедшие со времени события GRB170817A, это излучение наполнило всю галактику.