Spajanje dvije neutronske zvijezde. Po prvi put su otkriveni gravitacijski talasi od spajanja dvije neutronske zvijezde. Šta sve ovo znači
Odmah u svim opsezima spektra, plus - za registraciju gravitacionih talasa iz ovog događaja. Fotografija snimljena svemirskim teleskopom Hubble prikazuje galaksiju NGC 4993 u kojoj se to dogodilo. Žuta tačka iznad i levo od centra galaksije je bljesak od spajanja. Na umetcima se vidi kako se to promijenilo od 22. do 28. avgusta.
Sam gravitacioni talas dogodio se 17. avgusta ove godine, pa je zbog toga dobio naziv GW170817. Najprije je uhvaćen na VIRGO (instalacija se nakratko uspješno spojila na naučnu opservacijsku sesiju LIGO), a zatim - u djeliću sekunde - na američkim detektorima. Uočeni talas je trajao skoro dva minuta! Vrijedi poslušati!
Ali što je najvažnije, nakon 1,7 sekundi, detektori gama zraka na satelitima Fermi i INTEGRAL registrovali su kratak prasak gama zraka, koji je nazvan GRB 170817A. Kako je brzo postalo jasno - ovo su povezani događaji.
Gravitacijski detektori ne mogu baš precizno odrediti tačku praska na nebu, čak ni u ovom slučaju, kada su radila tri detektora, područje nesigurnosti je bilo oko 30 kvadratnih stepeni (više od 100 lunarnih diskova), ali gama detektori mogu mnogo više odrediti koordinate tačno. Stoga je odmah bilo moguće povezati posmatrače koji rade u cijelom rasponu spektra (osim toga, analizirani su podaci detektora neutrina, ali nisu vidjeli ništa, kako se, međutim, očekivalo). I to je dovelo do zapanjujućeg otkrića - prasak i njegov naknadni sjaj viđeni su u rendgenskom, optičkom, ultraljubičastom i infracrvenom opsegu!
Pošto su signal gravitacionog talasa i rafal gama zraka stigli skoro istovremeno, može se sa velikom preciznošću (oko 10 −15) tvrditi da je brzina širenja gravitacionih talasa jednaka brzini svetlosti (imajte na umu da je kašnjenje najverovatnije ne zbog razlike u brzinama, već zbog fizike generacijskog praska gama zraka). Osim toga, bilo je moguće testirati još nekoliko predviđanja Opće teorije relativnosti s većom preciznošću nego prije.
Prisustvo signala gravitacionog talasa omogućava direktno određivanje udaljenosti do objekata koji se spajaju. A podaci optičkih mjerenja daju identifikaciju galaksije, odnosno omogućavaju vam da odredite crveni pomak. Zajedno, ova nezavisna mjerenja omogućavaju određivanje Hubble konstante. Za sada, međutim, nisu baš precizni - 60–80 (km/s)/Mpc. Ova tačnost je lošija nego kod brojnih drugih kosmoloških mjerenja. Međutim, važno je da se u ovom slučaju Hubble konstanta mjeri potpuno drugom nezavisnom metodom, štoviše, nezavisnom od modela (odnosno, nisu potrebne nikakve dodatne teorijske pretpostavke da bi se dobio rezultat). Stoga se može nadati da će u budućnosti slični podaci o promatranju spajanja neutronskih zvijezda pomoću detektora gravitacijskih valova u galaksijama s poznatim crvenim pomakom postati izvor bitnih kosmoloških informacija.
Dakle. Na udaljenosti od 130 miliona svjetlosnih godina (40 megaparseka), dvije neutronske zvijezde spojile su se u galaksiji NGC 4993. Kao rezultat toga, dogodio se gravitacijski talas, a velika količina energije je oslobođena u različitim rasponima elektromagnetnog spektra.
Osim glavnog bljeska, astronomi su neko vrijeme promatrali i takozvanu kilonovu (ponekad se nazivaju i makroni, vidi Kilonova). Ovo zračenje je povezano s raspadom radioaktivnih elemenata sintetiziranih kao rezultat spajanja neutronskih zvijezda. Sinteza je rezultat takozvanog r-procesa, ovdje slovo "r" - od riječi rapid (brz). Nakon spajanja, u ekspanzijuću materiju prodire mlaz neutrona i neutrina. Time se stvaraju povoljni uslovi za transformaciju jezgara elemenata u teže. Jezgra hvataju neutrone, koji se potom mogu pretvoriti u protone unutar jezgra, uslijed čega jezgro skoči jednu ćeliju u periodnom sistemu. Tako možete "skočiti" ne samo na olovo, već i na uranijum i torijum. Savremeni proračuni pokazuju da se većina teških elemenata (s masom većom od 140), na primjer, zlato i platina, sintetizira upravo kao rezultat spajanja neutronskih zvijezda, a ne u procesu eksplozija supernove.
Tako je iz jednog događaja dobijen veliki skup podataka koji je zanimljiv za različite oblasti fizike i astrofizike:
1. Dokazana je veza između kratkih praska gama zraka i spajanja neutronskih zvijezda. Novi podaci će omogućiti mnogo bolje razumijevanje fizike kratkih rafala gama zraka.
2. Bilo je moguće izvršiti odličnu verifikaciju brojnih predviđanja opšte relativnosti (brzina prostiranja gravitacionih talasa, Lorencova invarijantnost, princip ekvivalencije).
3. Dobijeni su jedinstveni podaci o sintezi elemenata pri spajanju neutronskih zvijezda.
4. Bilo je moguće dobiti direktno mjerenje Hubble konstante
Očekujemo da će naknadna zapažanja pomoći da se mase i poluprečnici neutronskih zvijezda odrede s velikom preciznošću (što je važno za razumijevanje njihove strukture, odnosno relevantno je i za nuklearnu fiziku), a radujemo se i događaju u kojem će spajanje dvije neutronske zvijezde dovešće do uočenog formiranja crne rupe. Inače, nemoguće je tačno reći šta se dogodilo kao rezultat ovog događaja (ali najvjerovatnije je ipak nastala crna rupa).
U zaključku, napominjemo da su astronomi vrlo, vrlo sretni. Prvo, talas je veoma blizu. Drugo, vjerovatnoća da će gravitacijski talas biti praćen eksplozijom gama zraka nije velika. Nadajmo se da će astronomi i dalje imati sreće!
Originalni članci s materijalom koji se odnosi na otkriće mogu se pronaći na web stranici LIGO-a.
Sergej Popov
Po prvi put u ljudskoj istoriji, astronomi su otkrili gravitacione talase od spajanja dve neutronske zvezde. Događaj u galaksiji NGC 4993 "nanjušile" su 17. avgusta gravitacione opservatorije LIGO/Virgo. Nakon njih, osmatranjima su se pridružili i drugi astronomski instrumenti. Kao rezultat toga, događaj je posmatralo 70 opservatorija, a prema podacima posmatranja, danas je objavljeno najmanje 20 (!) naučnih članaka.
Glasine da su detektori LIGO / Virgo konačno registrovali novi događaj i da se ne radi o još jednom spajanju crnih rupa, puze društvenim mrežama od 18. avgusta. Izjave o tome očekivale su se krajem septembra, ali su se tada naučnici ograničili samo na sledeći događaj gravitacionog talasa koji uključuje dve crne rupe - dogodio se 1,8 milijardi svetlosnih godina od Zemlje, u njegovom posmatranju 14. avgusta nisu učestvovali samo američki detektori. , ali i evropsku Devicu, koja se dve nedelje ranije "uključila" u lov na prostorno-vremenske fluktuacije.
Novi LIGO. Izvor sa optičkim parom. Oduvaj se!
J Craig Wheeler (@ast309) 18. avgusta 2017
Nakon toga, saradnja je zaslužila i zasluženu Nobelovu nagradu za fiziku - za detekciju gravitacionih talasa i potvrdu Ajnštajnove ispravnosti, koji je predvideo njihovo postojanje - a sada je svetu ispričala otkriće koje je sačuvala "za desert".
Šta se tačno dogodilo?
Neutronske zvijezde su vrlo, vrlo mali i vrlo gusti objekti koji obično nastaju eksplozijama supernove. Tipičan prečnik takve zvezde je 10-20 km, a masa je uporediva sa masom Sunca (čiji je prečnik 100.000.000 puta veći), tako da je gustina materije u neutronskoj zvezdi nekoliko puta veća od gustine atomskog jezgra. Trenutno poznajemo nekoliko hiljada takvih objekata, ali postoji samo jedan i po do dva tuceta binarnih sistema.
Kilonova (slična "supernovi"), čiji je gravitacioni efekat registrovao LIGO / Virgo 17. avgusta, nalazi se u sazvežđu Hidra na udaljenosti od 130 miliona svetlosnih godina od Zemlje. Nastala je kao rezultat spajanja dvije neutronske zvijezde s masama u rasponu od 1,1 do 1,6 solarnih masa. Koliko nam je blizu ovaj događaj došao je da dok je signal spajanja binarnih crnih rupa obično bio unutar opsega osjetljivosti LIGO detektora za djelić sekunde, signal snimljen 17. avgusta trajao je oko 100 sekundi.
"Ovo nije prva zabilježena kilonova", rekao je astrofizičar Sergej Popov, vodeći istraživač na Državnom astronomskom institutu po imenu A.I. PC. Sternberg, - ali se nisu mogli nabrojati ni na prstima jedne ruke, već skoro na ušima. Bilo ih je bukvalno jedan ili dva."
Skoro u isto vrijeme, oko dvije sekunde nakon gravitacijskih valova, NASA-in Fermi gama-zračenje svemirski teleskop i MEĐUNARODNA laboratorija za astrofiziku gama zraka/ORbitalna opservatorija INTEGRAL otkrili su nalet gama zraka. U narednim danima, naučnici su registrovali elektromagnetno zračenje u drugim opsegima, uključujući rendgenske, ultraljubičaste, optičke, infracrvene i radio talase.
Nakon što su dobili koordinate, nekoliko opservatorija je u roku od nekoliko sati bilo u mogućnosti da započne pretragu u području neba gdje se događaj navodno dogodio. Nova svijetla tačka, nalik novoj zvijezdi, otkrivena je optičkim teleskopima, a kao rezultat toga, oko 70 opservatorija je promatralo ovaj događaj u različitim rasponima valnih dužina.
„Prvi put, za razliku od „usamljenih“ spajanja crnih rupa, „društveni“ događaj su registrovali ne samo gravitacioni detektori, već i optički i neutrinski teleskopi. Ovo je prvi takav krug zapažanja oko jednog događaja”, rekao je Sergej Vjačanin, profesor na Fakultetu fizike Moskovskog državnog univerziteta, koji je deo grupe ruskih naučnika koji su učestvovali u posmatranju ovog fenomena pod vođstvom Profesor Fakulteta fizike Moskovskog državnog univerziteta Valerij Mitrofanov.
U trenutku sudara, glavni dio dvije neutronske zvijezde spojio se u jedan ultra gust objekat koji emituje gama zrake. Prva merenja gama zraka u kombinaciji sa detekcijom gravitacionih talasa potvrđuju predviđanje Ajnštajnove opšte teorije relativnosti, odnosno da se gravitacioni talasi šire brzinom svetlosti.
“U svim prethodnim slučajevima, spajanje crnih rupa bilo je izvor gravitacijskih valova. Paradoksalno, crne rupe su vrlo jednostavni objekti, koji se u potpunosti sastoje od zakrivljenog prostora i stoga potpuno opisani dobro poznatim zakonima opšte relativnosti. Istovremeno, struktura neutronskih zvijezda, a posebno jednačina stanja neutronske materije, još uvijek nije točno poznata. Stoga će proučavanje signala neutronskih zvijezda koje se spajaju također pružiti ogromnu količinu novih informacija o svojstvima superguste materije u ekstremnim uslovima”, rekao je Farit Khalili, profesor na Fakultetu fizike Moskovskog državnog univerziteta, koji je također član grupe Mitrofanova.
Kakav je značaj ovog otkrića?
Prvo, posmatranje spajanja neutronskih zvezda je još jedna jasna demonstracija efikasnosti astronomskih posmatranja koje su pioniri LIGO i Virgo detektori.
„Ovo je rođenje nove nauke! Danas je takav dan, - rekao je za Attic Vladimir Lipunov, šef laboratorije za praćenje svemira SAI MGU i rukovodilac projekta MASTER. - Zvaće se gravitaciona astronomija. Tada će sve milenijumske metode astronomije, koje su hiljade astronoma koristile hiljadama godina, postale korisne za teme gravitacionih talasa. Sve je to do danas bila čista fizika, odnosno čak i fantazija iz ugla javnosti, a sada je već stvarnost. Nova realnost".
“Prije godinu i po dana, kada su otkriveni gravitacijski valovi, otkriven je novi način proučavanja Univerzuma, proučavanja prirode Univerzuma. A ova nova metoda je već pokazala svoju sposobnost da nam za godinu i po dana pruži važne, duboke informacije o raznim fenomenima u Univerzumu. Samo su nekoliko decenija pokušavali da detektuju gravitacione talase, a onda su jednom - pre godinu i po dana bili detektovani, dobili Nobelovu nagradu, a sada je prošlo godinu i po dana i zaista se pokazuje da, osim zastava koju su svi podigli - da, Ajnštajn je bio u pravu! - ovo sada stvarno funkcioniše, tek na početku nauke o gravitacionoj astronomiji, pokazalo se da je toliko delotvorno da proučava različite fenomene u svemiru ”, astrofizičar Yuri Kovalev, šef Laboratorije za fundamentalna i primenjena istraživanja relativizma Objects of the Universe na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju, šef laboratorije, rekao je dopisniku Attic FIAN-u, šefu naučnog programa projekta Radioastron.
Osim toga, tokom posmatranja prikupljena je ogromna količina novih podataka. Konkretno, zabilježeno je da teški elementi poput zlata, platine i uranijuma nastaju prilikom spajanja neutronskih zvijezda. Ovo potvrđuje jednu od postojećih teorija o poreklu teških elemenata u Univerzumu. Simulacije su ranije pokazale da eksplozije supernove same po sebi nisu bile dovoljne za sintetizaciju teških elemenata u svemiru, a 1999. godine grupa švicarskih naučnika sugerirala je da bi spajanje neutronskih zvijezda moglo biti još jedan izvor teških elemenata. I iako su kilonove mnogo rjeđe od eksplozija supernove, one mogu generirati većinu teških elemenata.
“Zamislite, nikada niste našli novac na ulici, a onda ste ga konačno našli. I to je hiljadu dolara odjednom - kaže Sergej Popov. - Prvo, to je potvrda da se gravitacioni talasi šire brzinom svetlosti, potvrda sa tačnošću od 10 -15 . Ovo je veoma važna stvar. Drugo, radi se o određenom broju čisto tehničkih potvrda niza odredbi opšte teorije relativnosti, što je veoma važno za fundamentalnu fiziku uopšte. Treće - ako se vratimo na astrofiziku - ovo je potvrda da su kratki gama-zraci spajanje neutronskih zvijezda. A što se tiče teških elemenata, onda, naravno, nije da niko ranije nije verovao u tako nešto. Ali nije bilo tako šik kompleksa podataka.”
A ovaj skup podataka već prvog dana omogućio je naučnicima da objave, prema procjenama Attika, najmanje 20 članaka (osam u Nauka, pet inča Priroda, dva in Physical Review Letters i pet in Astrophysical Journal Letters). Prema novinarima Nauka, broj autora članka koji opisuje događaj, otprilike odgovara trećini svih aktivnih astronoma. Radujete li se nastavku? Mi smo da.
Naučnici su juče, na konferenciji za novinare u Vašingtonu, zvanično objavili registraciju astronomskog događaja koji niko do sada nije zabeležio - spajanje dve neutronske zvezde. Na osnovu rezultata posmatranja objavljeno je više od 30 naučnih članaka u pet časopisa, tako da ne možemo reći sve odjednom. Evo sažetka i najvažnijih otkrića. 
Astronomi su uočili spajanje dvije neutronske zvijezde i rađanje nove crne rupe. Neutronske zvijezde su objekti koji nastaju kao rezultat eksplozija velikih i masivnih (nekoliko puta težih od Sunca) zvijezda. Njihove dimenzije su male (obično nisu veće od 20 kilometara u prečniku), ali su njihova gustina i masa ogromne. Kao rezultat spajanja dvije neutronske zvijezde udaljene 130 miliona svjetlosnih godina od Zemlje, nastala je crna rupa - objekt još masivniji i gušći od neutronske zvijezde. Spajanje zvijezda i formiranje crne rupe praćeno je oslobađanjem ogromne energije u obliku gravitacionog, gama i optičkog zračenja. Sve tri vrste zračenja snimljene su zemaljskim i orbitalnim teleskopima. Gravitacioni talas su registrovale opservatorije LIGO i VIRGO. 
Ovaj gravitacioni talas bio je najveći talas energije ikada uočen do sada. Sve vrste radijacije dospele su na Zemlju 17. avgusta. Prvo, zemaljski laserski interferometri LIGO i Virgo registrovali su periodično kompresiju i širenje prostor-vremena - gravitacioni talas koji je nekoliko puta obišao globus. Događaj koji je doveo do gravitacionog talasa nazvan je GRB170817A. Nekoliko sekundi kasnije, NASA-in Fermi teleskop gama zraka detektovao je fotone gama zraka visoke energije. A onda je nešto počelo: nakon što su dobili upozorenje od LIGO / Virgo saradnje, astronomi širom Zemlje podesili su svoje teleskope na koordinate izvora zračenja. Na današnji dan, veliki i mali, zemaljski i orbitalni teleskopi, koji rade u svim dometima, gledali su u jednu tačku u svemiru. Na osnovu rezultata opservacija na Kalifornijskom univerzitetu (Berkeley), napravili su kompjutersku simulaciju spajanja neutronskih zvijezda. Obe zvezde su, očigledno, bile mase nešto veće od Sunca (ali sa mnogo manjim poluprečnikom). Ove dvije kugle nevjerovatne gustine vrtjele su se jedna oko druge, neprestano ubrzavajući. Evo kako je bilo: Kao rezultat spajanja neutronskih zvijezda, atomi teških elemenata - zlata, uranijuma, platine - ušli su u svemir; astronomi vjeruju da su takvi događaji glavni izvor ovih elemenata u svemiru. Optički teleskopi su prvo "vidjeli" plavo vidljivo svjetlo, a potom ultraljubičasto zračenje koje je zamijenjeno crvenim svjetlom i infracrvenim zračenjem. 
Ova sekvenca se poklapa sa teorijskim predviđanjima. Prema teoriji, sudarajući se, neutronske zvijezde gube dio materije - raspršuje se oko mjesta sudara ogromnim oblakom neutrona i protona. Kada se crna rupa počne formirati, oko nje se formira akrecijski disk u kojem se čestice vrte ogromnom brzinom - toliko ogromnom da neke savladaju gravitaciju crne rupe i odlete. Takva sudbina čeka oko 2% materije zvezda u sudaru. Ova supstanca formira oblak oko crne rupe prečnika desetina hiljada kilometara i gustine približno jednake Sunčevoj. Protoni i neutroni koji sačinjavaju ovaj oblak se drže zajedno i formiraju atomska jezgra. Tada počinje dezintegracija ovih jezgara. Zračenje raspadajućih jezgara posmatrali su zemaljski astronomi nekoliko dana. U milionima godina koje su prošle od događaja GRB170817A, ovo zračenje je ispunilo cijelu galaksiju.
Naučnici su danas na konferenciji za novinare u Vašingtonu zvanično objavili registraciju astronomskog događaja koji niko do sada nije zabeležio - spajanje dve neutronske zvezde. Na osnovu rezultata posmatranja objavljeno je više od 30 naučnih članaka u pet časopisa, tako da ne možemo reći sve odjednom. Evo sažetka i najvažnijih otkrića.
Astronomi su uočili spajanje dvije neutronske zvijezde i rađanje nove crne rupe.
Neutronske zvijezde su objekti koji nastaju kao rezultat eksplozija velikih i masivnih (nekoliko puta težih od Sunca) zvijezda. Njihove dimenzije su male (obično nisu veće od 20 kilometara u prečniku), ali su njihova gustina i masa ogromne.
Kao rezultat spajanja dvije neutronske zvijezde udaljene 130 miliona svjetlosnih godina od Zemlje, nastala je crna rupa - objekt još masivniji i gušći od neutronske zvijezde. Spajanje zvijezda i formiranje crne rupe praćeno je oslobađanjem ogromne energije u obliku gravitacionog, gama i optičkog zračenja. Sve tri vrste zračenja snimljene su zemaljskim i orbitalnim teleskopima. Gravitacioni talas su registrovale opservatorije LIGO i VIRGO.
Ovaj gravitacioni talas bio je najveći talas energije ikada uočen do sada.
Sve vrste radijacije dospele su na Zemlju 17. avgusta. Prvo, zemaljski laserski interferometri LIGO i Virgo registrovali su periodično kompresiju i širenje prostor-vremena - gravitacioni talas koji je nekoliko puta obišao globus. Događaj koji je doveo do gravitacionog talasa nazvan je GRB170817A. Nekoliko sekundi kasnije, NASA-in Fermi teleskop gama zraka detektovao je fotone gama zraka visoke energije.
Na današnji dan, veliki i mali, zemaljski i orbitalni teleskopi, koji rade u svim dometima, gledali su u jednu tačku u svemiru.
Na osnovu rezultata opservacija na Kalifornijskom univerzitetu (Berkeley), napravili su kompjutersku simulaciju spajanja neutronskih zvijezda. Obe zvezde su, očigledno, bile mase nešto veće od Sunca (ali sa mnogo manjim poluprečnikom). Ove dvije kugle nevjerovatne gustine vrtjele su se jedna oko druge, neprestano ubrzavajući. Evo kako je bilo:
Kao rezultat spajanja neutronskih zvijezda, atomi teških elemenata - zlata, uranijuma, platine - pali su u svemir; astronomi vjeruju da su takvi događaji glavni izvor ovih elemenata u svemiru. Optički teleskopi su prvo "vidjeli" plavo vidljivo svjetlo, a potom ultraljubičasto zračenje koje je zamijenjeno crvenim svjetlom i infracrvenim zračenjem.
Ova sekvenca se poklapa sa teorijskim predviđanjima. Prema teoriji, sudarajući se, neutronske zvijezde gube dio materije - raspršuje se oko mjesta sudara ogromnim oblakom neutrona i protona. Kada se crna rupa počne formirati, oko nje se formira akrecijski disk u kojem se čestice vrte ogromnom brzinom - toliko velikom da neke savladaju gravitaciju crne rupe i odlete.
Takva sudbina čeka oko 2% materije zvezda u sudaru. Ova supstanca formira oblak oko crne rupe prečnika desetina hiljada kilometara i gustine približno jednake Sunčevoj. Protoni i neutroni koji sačinjavaju ovaj oblak se drže zajedno i formiraju atomska jezgra. Tada počinje dezintegracija ovih jezgara. Zračenje raspadajućih jezgara posmatrali su zemaljski astronomi nekoliko dana. U milionima godina koje su prošle od događaja GRB170817A, ovo zračenje je ispunilo cijelu galaksiju.