Fusión de dos estrellas de neutrones. Por primera vez se han detectado ondas gravitacionales procedentes de la fusión de dos estrellas de neutrones. ¿Qué significa todo esto?

Inmediatamente en todos los rangos del espectro, una ventaja es registrar ondas gravitacionales de este evento. La fotografía tomada por el Telescopio Hubble muestra la galaxia NGC 4993 en la que sucedió esto. La mancha amarilla arriba y a la izquierda del centro de la galaxia es una llamarada de la fusión. Los recuadros muestran cómo cambió del 22 al 28 de agosto.

La explosión de la onda gravitacional se produjo el 17 de agosto de este año y, por lo tanto, recibió el nombre de GW170817. Al principio fue captado por VIRGO (la instalación se conectó con éxito durante un breve período de tiempo con la sesión de observación científica LIGO) y luego, una fracción de segundo después, por detectores estadounidenses. ¡El estallido observado duró casi dos minutos! ¡Vale la pena escucharlo!

Pero lo más importante es que después de 1,7 segundos, los detectores gamma de los satélites Fermi e INTEGRAL registraron un breve estallido de rayos gamma, denominado GRB 170817A. Como pronto quedó claro, se trata de acontecimientos relacionados.

Los detectores gravitacionales no pueden determinar con mucha precisión el punto de explosión en el cielo, incluso en este caso, cuando se activaron tres detectores, el área de incertidumbre era de aproximadamente 30 grados cuadrados (más de 100 discos lunares), pero los detectores gamma pueden determinar las coordenadas con mucha mayor precisión. Por lo tanto, fue posible conectar de inmediato a los observadores que trabajan en todo el rango del espectro (además, se analizaron los datos de los detectores de neutrinos, pero no vieron nada, como, de hecho, se esperaba). Y esto llevó a un descubrimiento sorprendente: ¡la explosión y su resplandor se podían ver en los rangos de rayos X, óptico, ultravioleta e infrarrojo!

Dado que la señal de la onda gravitacional y el estallido de rayos gamma llegaron casi simultáneamente, podemos afirmar con alta precisión (aproximadamente 10 −15) que la velocidad de propagación de las ondas gravitacionales es igual a la velocidad de la luz (tenga en cuenta que lo más probable es que el retraso sea no se debe a la diferencia de velocidades, sino a la física de generación del estallido de rayos gamma). Además, fue posible verificar varias predicciones más de la Teoría General de la Relatividad con mayor precisión que antes.

La presencia de una señal de onda gravitacional permite determinar directamente la distancia a los objetos que se fusionan. Y los datos de medición óptica permiten identificar la galaxia, es decir, permiten determinar el corrimiento al rojo. Juntas, estas mediciones independientes permiten determinar la constante de Hubble. Sin embargo, hasta ahora no son muy precisos: 60-80 (km/s)/Mpc. Esta precisión es peor que la de otras mediciones cosmológicas. Sin embargo, es importante que en este caso la constante de Hubble se mida mediante un método independiente completamente diferente, además, independiente del modelo (es decir, no es necesario establecer supuestos teóricos adicionales para obtener el resultado). Por lo tanto, podemos esperar que en el futuro datos similares sobre la observación de fusiones de estrellas de neutrones utilizando detectores de ondas gravitacionales en galaxias con un corrimiento al rojo conocido se conviertan en una fuente de información cosmológica significativa.

Entonces. A una distancia de 130 millones de años luz (40 megaparsecs), dos estrellas de neutrones se fusionaron en la galaxia NGC 4993. Como resultado, se produjo una explosión de ondas gravitacionales y se liberó una gran cantidad de energía en diferentes rangos del espectro electromagnético.

Además de la llamarada principal, desde hace algún tiempo los astrónomos también observan las llamadas kilonovas (a veces también se les llama macronovas, ver Kilonova). Esta radiación está asociada a la desintegración de elementos radiactivos sintetizados como resultado de la fusión de estrellas de neutrones. La síntesis se produce como resultado del llamado proceso r, la letra "r" aquí proviene de la palabra rapid (rápido). Después de la fusión, la materia en expansión es penetrada por un flujo de neutrones y neutrinos. Esto crea condiciones favorables para la transformación de los núcleos de los elementos en otros más pesados. Los núcleos capturan neutrones, que luego pueden convertirse en protones dentro del núcleo, lo que hace que el núcleo salte una celda en la tabla periódica. De modo que se puede “saltar” no sólo al plomo, sino también al uranio y al torio. Los cálculos modernos muestran que la mayor parte de los elementos pesados ​​(con una masa de más de 140), por ejemplo, el oro y el platino, se sintetizan precisamente como resultado de la fusión de estrellas de neutrones y no durante las explosiones de supernovas.

Así, de un evento se obtuvo un gran conjunto de datos interesantes para una amplia variedad de áreas de la física y la astrofísica:

1. Se ha demostrado la conexión entre explosiones cortas de rayos gamma y fusiones de estrellas de neutrones. Los nuevos datos proporcionarán una comprensión mucho mejor de la física de los estallidos cortos de rayos gamma.
2. Fue posible realizar una excelente prueba de varias predicciones de la Relatividad General (velocidad de propagación de ondas gravitacionales, invariancia de Lorentz, principio de equivalencia).
3. Se obtuvieron datos únicos sobre la síntesis de elementos durante la fusión de estrellas de neutrones.
4. Se logró obtener una medición directa de la constante de Hubble

Esperamos que las observaciones posteriores nos ayuden a determinar con gran precisión las masas y los radios de las estrellas de neutrones (lo cual es importante para comprender su estructura, es decir, relevante para la física nuclear), y también esperamos un evento en el que se produzca la fusión de dos estrellas de neutrones. conducirá a la formación observada de un agujero negro. Por cierto, es imposible decir exactamente qué sucedió como resultado de este evento (pero lo más probable es que se haya formado un agujero negro).

En conclusión, observamos que los astrónomos tienen mucha, mucha suerte. En primer lugar, el chapoteo está muy cerca. En segundo lugar, la probabilidad de que un estallido de ondas gravitacionales vaya acompañado de un estallido de rayos gamma no es muy alta. ¡Esperemos que los astrónomos sigan teniendo mejor suerte!

Los artículos originales con materiales relacionados con el descubrimiento se pueden encontrar en el sitio web de LIGO.

Serguéi Popov

Por primera vez en la historia de la humanidad, los astrónomos han detectado ondas gravitacionales procedentes de la fusión de dos estrellas de neutrones. El evento en la galaxia NGC 4993 fue “detectado” el 17 de agosto por los observatorios gravitacionales LIGO/Virgo. Siguiéndolos, otros instrumentos astronómicos se sumaron a las observaciones. Como resultado, 70 observatorios observaron el evento y, según los datos de observación, hoy se publicaron al menos 20 (!) artículos científicos.

Los rumores de que los detectores LIGO/Virgo finalmente habían registrado un nuevo evento y que no se trataba de otra fusión de agujeros negros comenzaron a extenderse por las redes sociales el 18 de agosto. Se esperaba una declaración al respecto a finales de septiembre, pero luego los científicos se limitaron únicamente al siguiente evento de ondas gravitacionales que involucró a dos agujeros negros: ocurrió a 1.800 millones de años luz de la Tierra, y por primera vez no solo participaron detectores estadounidenses. su observación del 14 de agosto, pero también el Virgo europeo, que se “unió” a la búsqueda de fluctuaciones espacio-temporales dos semanas antes.

Nuevo LIGO. Fuente con contraparte óptica. ¡Quítate los calcetines!

J Craig Wheeler (@ast309) 18 de agosto de 2017

Después de esto, la colaboración ganó su merecido Premio Nobel de Física - por la detección de ondas gravitacionales y la confirmación de la exactitud de Einstein al predecir su existencia - y ahora le ha contado al mundo sobre el descubrimiento que guardó para los "dulces".

¿Qué pasó exactamente?

Las estrellas de neutrones son objetos muy, muy pequeños y muy densos que normalmente se crean por explosiones de supernovas. El diámetro típico de una estrella de este tipo es de 10 a 20 km, y la masa es comparable a la masa del Sol (cuyo diámetro es 100.000.000 de veces mayor), por lo que la densidad de la sustancia de la estrella de neutrones es varias veces mayor que la densidad de la núcleo atómico. Por el momento conocemos varios miles de objetos de este tipo, pero sólo existen entre una docena y media y dos docenas de sistemas binarios.

Una kilonova (similar a una “supernova”), cuyo efecto gravitacional fue registrado por LIGO/Virgo el 17 de agosto, se encuentra en la constelación de Hidra, a una distancia de 130 millones de años luz de la Tierra. Surgió de la fusión de dos estrellas de neutrones con masas que oscilaban entre 1,1 y 1,6 masas solares. Una indicación de lo cerca que estuvo este evento para nosotros es que, mientras que la señal de la fusión de agujeros negros binarios estuvo típicamente dentro del rango de sensibilidad de los detectores LIGO durante una fracción de segundo, la señal registrada el 17 de agosto duró unos 100 segundos.

"Esta no es la primera kilonova registrada", dijo el astrofísico Sergei Popov, investigador principal del Instituto Astronómico Estatal. ORDENADOR PERSONAL. Sternberg, pero no se podían enumerar ni siquiera en los dedos de una mano, sino casi en las orejas. Había literalmente uno o dos”.

Casi al mismo tiempo, unos dos segundos después de las ondas gravitacionales, el Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma de la NASA y el Laboratorio Internacional de Astrofísica de Rayos Gamma/INTEGRAL detectaron explosiones de rayos gamma. En los días siguientes, los científicos registraron radiación electromagnética en otros rangos, incluidos rayos X, ultravioleta, óptico, infrarrojo y ondas de radio.

Una vez recibidas las coordenadas, varios observatorios pudieron comenzar a las pocas horas de buscar en la zona del cielo donde supuestamente ocurrió el evento. Los telescopios ópticos detectaron un nuevo punto brillante parecido a una nova y alrededor de 70 observatorios finalmente observaron el evento en varios rangos de longitud de onda.

“Por primera vez, a diferencia de las fusiones “solitarias” de agujeros negros, un evento “compañía” fue registrado no sólo por detectores gravitacionales, sino también por telescopios ópticos y de neutrinos. Esta es la primera ronda de observaciones de este tipo en torno a un evento”, afirmó el profesor de la Facultad de Física de la Universidad Estatal de Moscú, Serguéi Vyatchanin, que forma parte del grupo de científicos rusos que participaron en la observación del fenómeno bajo la dirección del profesor de la Facultad de Física de la Universidad Estatal de Moscú Valery Mitrofanov.

En el momento de la colisión, la mayor parte de las dos estrellas de neutrones se fusionaron formando un objeto ultradenso que emite rayos gamma. Las primeras mediciones de rayos gamma, combinadas con la detección de ondas gravitacionales, confirman la predicción de la teoría general de la relatividad de Einstein, es decir, que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz.

“En todos los casos anteriores, la fuente de las ondas gravitacionales era la fusión de agujeros negros. Paradójicamente, los agujeros negros son objetos muy simples, formados enteramente por un espacio curvo y, por lo tanto, descritos completamente según las conocidas leyes de la relatividad general. Al mismo tiempo, todavía se desconoce con precisión la estructura de las estrellas de neutrones y, en particular, la ecuación de estado de la materia de neutrones. Por lo tanto, el estudio de las señales de las estrellas de neutrones en fusión nos permitirá obtener una enorme cantidad de nueva información también sobre las propiedades de la materia superdensa en condiciones extremas”, afirmó Farit Khalili, profesor de la Facultad de Física de la Universidad Estatal de Moscú, que también es parte del grupo de Mitrofanov.

¿Cuál es el significado de este descubrimiento?

En primer lugar, observar fusiones de estrellas de neutrones es otra clara demostración del poder de las observaciones astronómicas iniciadas por los detectores LIGO y Virgo.

“¡Este es el nacimiento de una nueva ciencia! Hoy es un día así”, dijo a Cherdak Vladimir Lipunov, jefe del laboratorio de vigilancia espacial del Instituto Estatal de Aviación de la Universidad Estatal de Moscú y director del proyecto MASTER. - Se llamará astronomía gravitacional. Entonces será cuando se hayan desarrollado todos los métodos milenarios de la astronomía, que miles de astrónomos han utilizado durante muchos miles de años, y serán útiles para el tema de las ondas gravitacionales. Hasta hoy todo esto era pura física, es decir, incluso fantasía desde el punto de vista del público, pero ahora ya es una realidad. Nueva realidad."

“Hace un año y medio, cuando se descubrieron las ondas gravitacionales, se descubrió una nueva forma de estudiar el Universo, estudiar la naturaleza del Universo. Y este nuevo método ya ha demostrado en un año y medio su capacidad para brindarnos información importante y profunda sobre diversos fenómenos del Universo. Durante varias décadas simplemente intentaron detectar ondas gravitacionales, y luego una vez, hace un año y medio, fueron detectadas, recibieron el Premio Nobel, y ahora ha pasado un año y medio y realmente se ha demostrado que, excepto por la bandera que todos izaron, sí, ¡Einstein tenía razón! "Ahora realmente funciona, sólo en los comienzos de la ciencia de la astronomía gravitacional resulta tan eficaz para estudiar diversos fenómenos en el Universo", dijo el astrofísico Yuri Kovalev, jefe del laboratorio de investigación fundamental y aplicada de objetos relativistas de Universo en el MIPT, jefe del laboratorio, dijo al corresponsal ático del Instituto de Física Lebedev, jefe del programa científico del proyecto Radioastron.

Además, durante las observaciones se recopiló una gran cantidad de datos nuevos. En particular, se registró que durante la fusión de estrellas de neutrones se forman elementos pesados ​​como oro, platino y uranio. Esto confirma una de las teorías existentes sobre el origen de los elementos pesados ​​en el Universo. Los modelos anteriores ya habían demostrado que las explosiones de supernovas por sí solas no son suficientes para sintetizar elementos pesados ​​en el Universo, y en 1999 un grupo de científicos suizos sugirió que las fusiones de estrellas de neutrones podrían ser otra fuente de elementos pesados. Aunque las kilonovas son mucho más raras que las supernovas, pueden generar la mayoría de los elementos pesados.

“Imagínate, nunca has encontrado dinero en la calle y finalmente lo encuentras. Y esto son mil dólares a la vez”, dice Serguéi Popov. - En primer lugar, esto es una confirmación de que las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz, una confirmación con una precisión de 10 -15. Esto es algo muy importante. En segundo lugar, se trata de una serie de confirmaciones puramente técnicas de una serie de disposiciones de la teoría general de la relatividad, que es muy importante para la física fundamental en general. En tercer lugar, si volvemos a la astrofísica, esto es una confirmación de que las explosiones cortas de rayos gamma son la fusión de estrellas de neutrones. En cuanto a los elementos pesados, por supuesto, no es que nadie creyera en esas cosas antes. Pero no había un conjunto de datos tan magnífico”.

Y este conjunto de datos ya permitió el primer día a los científicos publicar, según cálculos de Attic, al menos 20 artículos (ocho en Ciencia, cinco en Naturaleza, dos en Cartas de revisión física y cinco en Cartas de revistas astrofísicas). Según estimaciones de los periodistas. Ciencia, el número de autores del artículo que describe el evento corresponde aproximadamente a un tercio de todos los astrónomos activos. ¿Estás esperando la continuación? Lo hacemos.

Ayer, en una conferencia de prensa en Washington, los científicos anunciaron oficialmente el registro de un evento astronómico que nadie había registrado antes: la fusión de dos estrellas de neutrones. Según los resultados de la observación, se publicaron más de 30 artículos científicos en cinco revistas, por lo que no podemos hablar de todo a la vez. Aquí tenéis un resumen y los descubrimientos más importantes.
Los astrónomos han observado la fusión de dos estrellas de neutrones y el nacimiento de un nuevo agujero negro. Las estrellas de neutrones son objetos que aparecen como resultado de explosiones de estrellas grandes y masivas (varias veces más pesadas que el Sol). Sus tamaños son pequeños (no suelen tener más de 20 kilómetros de diámetro), pero su densidad y masa son enormes. La fusión de dos estrellas de neutrones creó un agujero negro a 130 millones de años luz de la Tierra, un objeto aún más masivo y denso que la estrella de neutrones. La fusión de estrellas y la formación de un agujero negro estuvo acompañada de la liberación de una enorme energía en forma de radiación gravitacional, de rayos gamma y óptica. Los tres tipos de radiación fueron registrados por telescopios terrestres y orbitales. La onda gravitacional fue registrada por los observatorios LIGO y VIRGO.
Esta onda gravitacional fue la onda de mayor energía observada hasta ahora. Todo tipo de radiación llegó a la Tierra el 17 de agosto. En primer lugar, los interferómetros láser terrestres LIGO y Virgo registraron la compresión y expansión periódica del espacio-tiempo, una onda gravitacional que dio la vuelta al mundo varias veces. El evento que generó la onda gravitacional se denominó GRB170817A. Unos segundos más tarde, el telescopio de rayos gamma Fermi de la NASA detectó fotones de alta energía en el rango de los rayos gamma. Y entonces algo empezó: tras recibir una advertencia de la colaboración LIGO/Virgo, los astrónomos de toda la Tierra ajustaron sus telescopios a las coordenadas de la fuente de radiación. Ese día, telescopios grandes y pequeños, terrestres y orbitales que operaban en todos los rangos observaron un punto en el espacio. Basándose en los resultados de las observaciones, la Universidad de California (Berkeley) realizó una simulación por computadora de la fusión de estrellas de neutrones. Ambas estrellas parecían tener una masa ligeramente mayor que la del Sol (pero un radio mucho menor). Estas dos bolas de increíble densidad giraban una alrededor de la otra, acelerando constantemente. Así fue como fue: Como resultado de la fusión de estrellas de neutrones, se liberaron al espacio átomos de elementos pesados ​​(oro, uranio, platino); Los astrónomos creen que tales eventos son la principal fuente de estos elementos en el universo. Los telescopios ópticos primero "vieron" luz visible azul y luego radiación ultravioleta, que dio paso a la luz roja y la radiación en el rango infrarrojo.
Esta secuencia coincide con las predicciones teóricas. Según la teoría, cuando las estrellas de neutrones chocan, pierden parte de su materia: ésta se esparce alrededor del lugar de la colisión con una enorme nube de neutrones y protones. Cuando un agujero negro comienza a formarse, se forma a su alrededor un disco de acreción, en el que las partículas giran a velocidades enormes, tan grandes que algunas superan la gravedad del agujero negro y salen volando. Este destino le espera a aproximadamente el 2% de la materia de las estrellas en colisión. Esta sustancia forma una nube alrededor del agujero negro con un diámetro de decenas de miles de kilómetros y una densidad aproximadamente igual a la del Sol. Los protones y neutrones que forman esta nube se unen para formar núcleos atómicos. Entonces comienza la desintegración de estos núcleos. Los astrónomos en la Tierra observaron durante varios días la radiación de los núcleos en descomposición. En los millones de años transcurridos desde el evento GRB170817A, esta radiación ha llenado toda la galaxia.

Hoy, en una conferencia de prensa en Washington, los científicos anunciaron oficialmente el registro de un evento astronómico que nadie había registrado antes: la fusión de dos estrellas de neutrones. A partir de los resultados de la observación se publicaron más de 30 artículos científicos en cinco revistas, por lo que no podemos hablar de todo a la vez. Aquí tenéis un resumen y los descubrimientos más importantes.

Los astrónomos han observado la fusión de dos estrellas de neutrones y el nacimiento de un nuevo agujero negro.

Las estrellas de neutrones son objetos que aparecen como resultado de explosiones de estrellas grandes y masivas (varias veces más pesadas que el Sol). Sus tamaños son pequeños (no suelen tener más de 20 kilómetros de diámetro), pero su densidad y masa son enormes.

La fusión de dos estrellas de neutrones creó un agujero negro a 130 millones de años luz de la Tierra, un objeto aún más masivo y denso que la estrella de neutrones. La fusión de estrellas y la formación de un agujero negro estuvo acompañada de la liberación de una enorme energía en forma de radiación gravitacional, de rayos gamma y óptica. Los tres tipos de radiación fueron registrados por telescopios terrestres y orbitales. La onda gravitacional fue registrada por los observatorios LIGO y VIRGO.

Esta onda gravitacional fue la onda de mayor energía observada hasta ahora.

Todo tipo de radiación llegó a la Tierra el 17 de agosto. En primer lugar, los interferómetros láser terrestres LIGO y Virgo registraron la compresión y expansión periódica del espacio-tiempo, una onda gravitacional que dio la vuelta al mundo varias veces. El evento que generó la onda gravitacional se denominó GRB170817A. Unos segundos más tarde, el telescopio de rayos gamma Fermi de la NASA detectó fotones de alta energía en el rango de los rayos gamma.

Ese día, telescopios grandes y pequeños, terrestres y orbitales que operaban en todos los rangos observaron un punto en el espacio.

Basándose en los resultados de las observaciones, la Universidad de California (Berkeley) realizó una simulación por computadora de la fusión de estrellas de neutrones. Ambas estrellas eran, aparentemente, un poco más masivas que el Sol (pero al mismo tiempo tenían un radio mucho más pequeño). Estas dos bolas de increíble densidad giraban una alrededor de la otra, acelerando constantemente. Así fue como fue:

Como resultado de la fusión de estrellas de neutrones, se liberaron al espacio átomos de elementos pesados ​​(oro, uranio, platino); Los astrónomos creen que tales eventos son la principal fuente de estos elementos en el universo. Los telescopios ópticos primero "vieron" luz visible azul y luego radiación ultravioleta, que dio paso a la luz roja y la radiación en el rango infrarrojo.

Esta secuencia coincide con las predicciones teóricas. Según la teoría, cuando las estrellas de neutrones chocan, pierden parte de su materia: ésta se esparce alrededor del lugar de la colisión con una enorme nube de neutrones y protones. Cuando un agujero negro comienza a formarse, se forma un disco de acreción a su alrededor, en el que las partículas giran a velocidades tremendas, tan grandes que algunas superan la gravedad del agujero negro y salen volando.

Este destino le espera a aproximadamente el 2% de la materia de las estrellas en colisión. Esta sustancia forma una nube alrededor del agujero negro con un diámetro de decenas de miles de kilómetros y una densidad aproximadamente igual a la del Sol. Los protones y neutrones que forman esta nube se unen para formar núcleos atómicos. Entonces comienza la desintegración de estos núcleos. Los astrónomos en la Tierra observaron durante varios días la radiación de los núcleos en descomposición. En los millones de años transcurridos desde el evento GRB170817A, esta radiación ha llenado toda la galaxia.