Astăzi, la mai multe conferințe de presă simultane, oameni de știință de la observatoarele gravitaționale LIGO și Virgo, precum și din alte instituții științifice din întreaga lume, au anunțat că în luna august a acestui an au putut înregistra pentru prima dată undele gravitaționale generate de fuziunea a două stele neutronice. Anterior, undele gravitaționale au fost observate de fizicieni de patru ori, dar în toate cazurile au fost generate de fuziunea a două găuri negre, nu de stele neutronice.
© ESO / L. Calçada / M. Kornmesser
Mai mult, pentru prima dată în istorie, un eveniment care a provocat unde gravitaționale a fost observat nu numai de detectoarele cu interferometru gravitațional, ci și observat de telescoape spațiale și terestre în diferite intervale (benzi de raze X, ultraviolete, vizibile, infraroșii și radio). ). Descoperirea nu numai că va face următorul pas în studiul undelor gravitaționale și al gravitației, dar va oferi și progrese semnificative în studiul stelelor neutronice. În special, confirmă ipoteza sintezei elementelor grele în procesul de fuziune a stelelor neutronice și natura exploziilor de raze gamma. Descoperirea este descrisă într-o serie de articole publicate în revista Nature, Nature Astronomy, Physical Review Letters și Astrophysical Journal Letters.
Undele gravitaționale sunt generate de orice obiect cu masă și care se mișcă cu accelerație neuniformă, dar undele suficient de puternice care pot fi detectate cu ajutorul dispozitivelor realizate de om se nasc în timpul interacțiunii obiectelor de masă foarte mare: găuri negre, componente ale stelelor binare. , stele neutronice. Valul actual, denumit GW170817, a fost înregistrat de ambii detectoare de la observatorul gravitațional LIGO din Statele Unite și de detectorul Virgo din Italia pe 17 august a acestui an.
Prezența a trei detectoare situate în puncte diferite de pe Pământ le permite oamenilor de știință să determine aproximativ poziția sursei undei. La două secunde după ce observatoarele gravitaționale au detectat valul GW170817, a fost observată o explozie de raze gamma în regiunea în care ar trebui să fie localizată sursa acesteia. Acest lucru a fost realizat de telescoapele spațiale cu raze gamma Fermi (Fermi Gamma-ray Space Telescope) și INTEGRAL (International Gamma Ray Astrophysics Laboratory). După aceea, multe observatoare terestre și spațiale au început să caute o posibilă sursă a acestor evenimente. Zona zonei de căutare, determinată din datele observatorului gravitațional și ale telescoapelor cu raze gamma, era destul de mare, însumând aproximativ 35 de grade pătrate, într-o astfel de parte a cerului s-ar potrivi câteva sute de discuri lunare pline și numărul de stele situate pe el este de câteva milioane. Dar a fost încă posibil să se găsească sursa undei gravitaționale și a exploziei de raze gamma.
Telescopul reflector Swope de la observatorul Las Campanas din Chile a fost primul care a făcut acest lucru, la unsprezece ore după explozia de raze gamma. După aceea, câteva telescoape mari și-au întrerupt imediat programele de observare aprobate anterior și au trecut la observarea micii galaxii NGC 4993 din constelația Hydra, la o distanță de 40 de parsecs de Sistemul Solar (aproximativ 130 de milioane de ani lumină). Acest eveniment a stârnit primele zvonuri despre descoperire, dar oamenii de știință nu au confirmat nimic oficial până la conferințele de presă de astăzi.
Într-adevăr, sursa undelor și a radiațiilor gamma a fost o stea situată lângă galaxia NGC 4993. Această stea a fost monitorizată de telescoapele Pan-STARRS și Subaru din Hawaii, Very Large Telescope al Observatorului European de Sud (VLT ESO) și New Technology Telescope timp de câteva săptămâni (NTT), VLT Survey Telescope (VST), telescop MPG / ESO de 2,2 metri, telescop ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array) - în total, aproximativ șaptezeci de observatoare din întreaga lume au participat la observațiile, precum și telescopul spațial Hubble. „Este rar ca un om de știință să asista la începutul unei noi ere în știință”, o citează în comunicatul de presă al ESO pe astronoma Elena Pian de la Institutul Italian de Astrofizică INAF. „Acesta este unul dintre acele cazuri!” Astronomii au avut puțin timp, deoarece galaxia NGC 4993 a fost disponibilă pentru observare doar seara lunii august, în septembrie era prea aproape de Soare pe cer și a devenit neobservabilă.
Steaua observată a fost inițial foarte strălucitoare, dar în primele cinci zile de observații, luminozitatea sa a scăzut de douăzeci de ori. Această stea este situată la aceeași distanță de noi cu galaxia NGC 4993 - 130 de milioane de ani lumină. Aceasta înseamnă că unda gravitațională GW170817 a apărut la o distanță record de noi. Calculele au arătat că sursa undei gravitaționale a fost fuziunea unor obiecte ale căror mase sunt egale de la 1,1 până la 1,6 ori masa Soarelui, ceea ce înseamnă că nu ar putea fi găuri negre. Deci stelele neutronice au devenit singura explicație posibilă.
Imagine compozită a lui NGC 4993
și kilonova conform multor instrumente ESO
© ESO
Generarea undelor gravitaționale de către stelele neutronice urmează același scenariu ca și la fuziunea găurilor negre, doar undele generate de stelele neutronice sunt mai slabe. În timp ce se rotesc în jurul unui centru de greutate comun într-un sistem binar, două stele neutronice pierd energie prin emiterea de unde gravitaționale. Prin urmare, se apropie treptat unul de celălalt până când se contopesc într-o stea neutronică (există posibilitatea ca o gaură neagră să apară și în timpul fuziunii). Fuziunea a două stele neutronice este însoțită de o explozie mult mai strălucitoare decât o nouă obișnuită. Astronomii îi sugerează numele „kilonova”. O parte din masa a două stele în timpul fuziunii este convertită în energia undelor gravitaționale, care au fost observate de data aceasta de oamenii de știință ai Pământului.
Deși stele Kilonova au fost prezise cu mai bine de 30 de ani în urmă, aceasta este prima dată când o astfel de stea este găsită. Caracteristicile sale, determinate ca urmare a observațiilor, sunt în acord cu predicțiile anterioare. Ca urmare a fuziunii a două stele neutronice și a exploziei unei kilonova, sunt eliberate elemente chimice grele radioactive, care se împrăștie cu o viteză de o cincime din viteza luminii. Pe parcursul mai multor zile - mai rapid decât orice altă explozie stelară - kilonova se schimbă de la albastru strălucitor la roșu. „Când spectrul obiectului a apărut pe monitoarele noastre, mi-am dat seama că acesta este cel mai neobișnuit fenomen tranzitoriu pe care l-am văzut vreodată”, spune Stephen Smartt, care a făcut observații cu ESO NTT. - N-am mai văzut așa ceva. Datele noastre, precum și datele altor grupuri de cercetare, arată în mod clar că aceasta nu a fost o supernovă sau o stea de fundal variabilă, ci ceva complet neobișnuit.”
Spectrele de emisie ale stelei arată prezența cesiului și a teluriului, ejectate în spațiu atunci când stelele neutronice se contopesc. Această observație a confirmat teoria r-nucleosintezei (procesul r, un proces rapid de captare a neutronilor) formulată mai devreme de astrofizicieni în interioarele obiectelor stelare superdense. Elemente chimice formate în timpul fuziunii stelelor neutronice, după explozia kilonovai, împrăștiate în spațiu.
A fost confirmată o altă teorie a astronomilor, conform căreia exploziile scurte de raze gamma apar atunci când stelele neutronice se contopesc. Această idee a fost exprimată multă vreme, dar numai combinarea datelor de la observatoarele gravitaționale LIGO și Virgo cu observațiile astronomilor a făcut posibil să ne convingem în sfârșit de corectitudinea ei.
„Până acum, datele pe care le-am obținut sunt în acord excelent cu teoria. Acesta este un triumf al teoreticienilor, o confirmare a realității absolute a evenimentelor înregistrate de dispozitivele LIGO – VIRGO și o realizare remarcabilă a ESO, care a reușit să obțină astfel de observații ale kilonovai ”, – spune astronomul Stefano Covino (Stefano Covino).
Colaborarea LIGO-Virgo, împreună cu astronomi din 70 de observatoare, au anunțat astăzi observarea fuziunii a două stele neutronice în domeniul gravitațional și electromagnetic: au văzut o explozie de raze gamma, precum și raze X, ultraviolete, vizibile, radiații infraroșii și radio.
Ilustrație a unei coliziuni de stele neutronice. Ejecția în diagonală îngustă este fluxul de raze gamma. Norul luminos din jurul stelelor este sursa de lumină vizibilă care a fost observată de telescoape după fuziune. Credit: NSF / LIGO / Sonoma State University / Aurore Simonnet
Observarea în comun a unei explozii de raze gamma, a undelor gravitaționale și a luminii vizibile a făcut posibilă determinarea nu numai a regiunii de pe cer în care a avut loc evenimentul, ci și a galaxiei NGC 4993, căreia i-au aparținut stelele.
Determinarea locației pe cer cu diferiți detectoare
Ce putem spune despre stelele neutronice?
Astronomii au observat explozii scurte de raze gamma timp de multe decenii, dar nu știau exact cum au apărut. Presupunerea principală a fost că această explozie se datorează fuziunii stelelor neutronice, iar acum observarea undelor gravitaționale de la acest eveniment a confirmat teoria.Când stelele cu neutroni se ciocnesc, cea mai mare parte a materialului lor se contopește într-un singur obiect supermasiv, emițând o „minge de foc” de raze gamma (cea mai scurtă explozie de raze gamma înregistrată la două secunde după undele gravitaționale). După aceasta, apare așa-numita kilonova, când substanța rămasă după ciocnirea stelelor neutronice este dusă departe de locul coliziunii, emițând lumină. Observarea spectrului acestei radiații a făcut posibilă determinarea faptului că elementele grele, cum ar fi aurul, se nasc tocmai ca rezultat al kilonov-urilor. Oamenii de știință au observat strălucirea timp de săptămâni după eveniment, strângând date despre procesele care au loc în stele, iar aceasta a fost prima observație de încredere a unei kilonova.
Stelele neutronice sunt obiecte superdense care se formează după o explozie de supernovă. Presiunea din stea este atât de mare încât atomii individuali nu pot exista, iar în interiorul stelei există o „supă” lichidă de neutroni, protoni și alte particule. Pentru a descrie o stea neutronică, oamenii de știință folosesc o ecuație de stare care leagă presiunea și densitatea materiei. Există multe opțiuni pentru posibile ecuații de stare, dar oamenii de știință nu știu care dintre ele sunt corecte, așa că observațiile gravitaționale pot ajuta la rezolvarea acestei întrebări. Momentan, semnalul observat nu oferă un răspuns clar, dar ajută la darea unor estimări interesante pentru forma stelei (care depinde de atracția gravitațională față de a doua stea).
O descoperire interesantă a fost că GRB scurt observat este cel mai apropiat de Pământ, dar în același timp prea slab pentru o astfel de distanță. Oamenii de știință au sugerat mai multe explicații posibile: poate că razele gamma erau neuniforme ca luminozitate, sau am văzut doar marginea acesteia. În orice caz, se pune întrebarea: anterior, astronomii nu presupuneau că astfel de explozii slabe ar putea fi localizate atât de aproape și ar putea apoi să rateze aceleași explozii slabe sau le-ar putea interpreta greșit ca fiind mai îndepărtate? Observațiile comune în intervalele gravitaționale și electromagnetice pot ajuta să ofere un răspuns, dar la un anumit nivel de sensibilitate a detectorului, astfel de observații vor fi destul de rare - în medie 0,1-1,4 pe an.
Pe lângă radiația gravitațională și electromagnetică, stelele neutronice emit fluxuri de neutrini în procesul de fuziune. Detectoarele de neutrini au lucrat, de asemenea, pentru a găsi aceste fluxuri de la eveniment, dar nu au detectat nimic. În general, acest rezultat era așteptat - ca și în cazul unei explozii de raze gamma, evenimentul este prea slab (sau îl observăm la un unghi înalt) pentru ca detectorii să-l vadă.
Viteza undelor gravitaționale
Deoarece undele gravitaționale și semnalul luminos au provenit din aceeași sursă cu o probabilitate foarte mare (5,3 sigma), iar primul semnal luminos a venit la 1,7 secunde după cel gravitațional, putem limita viteza de propagare a undelor gravitaționale cu o precizie foarte mare. . Presupunând că lumina și undele gravitaționale au fost emise în același timp, iar întârzierea dintre semnale s-a datorat faptului că gravitația este mai rapidă, se poate obține o estimare superioară. Estimarea inferioară poate fi obținută din modelele de fuziune a stelelor neutronice: să presupunem că lumina a fost emisă la 10 secunde după undele gravitaționale (în acest moment, toate procesele ar fi trebuit să fie finalizate cu siguranță) și a fost prinsă din urmă cu undele gravitaționale. până când au ajuns pe Pământ. Ca urmare, viteza gravitației este egală cu viteza luminii cu mare precizie.Pentru o estimare mai mică, se poate folosi o întârziere mare între emisii și chiar presupune că a fost emis primul semnal luminos, ceea ce va reduce acuratețea proporțional. Chiar și așa, estimarea este extrem de precisă.
Folosind aceleași cunoștințe despre întârzierea dintre semnale, se poate crește semnificativ acuratețea estimărilor pentru invarianța Lorentz (diferența dintre comportamentul gravitației și a luminii sub transformarea Lorentz) și principiul echivalenței.
Oamenii de știință au măsurat constanta Hubble într-un alt mod - observând parametrii radiației relicve la telescopul Planck și au obținut o valoare diferită a constantei Hubble, care este incompatibilă cu măsurătorile ShoES. Diferența este prea mare pentru a fi statistică, dar motivele discrepanțelor nu sunt încă cunoscute. Prin urmare, este necesară o măsurătoare independentă.
Distribuția probabilității pentru constanta Hubble folosind unde gravitaționale (albastru). Linia punctată indică intervalele 1σ și 2σ (68,3% și 95,4%). Pentru comparație, intervalele 1σ și 2σ sunt afișate pentru estimările anterioare: Planck (verde) și SHoES (portocaliu), care nu converg unele cu altele.
Undele gravitaționale în acest caz joacă rolul lumânărilor standard (și sunt numite sirene standard). Observând amplitudinea semnalului pe Pământ și simulând amplitudinea acestuia la sursă, se poate estima cât de mult a scăzut și, prin urmare, se poate afla distanța până la sursă - indiferent de orice ipoteze despre constanta Hubble sau măsurătorile anterioare. Observarea semnalului luminos a făcut posibilă determinarea galaxiei în care se aflau o pereche de stele neutronice, iar rata de îndepărtare a acestei galaxii era bine cunoscută din măsurătorile anterioare. Relația dintre viteză și distanță este constanta Hubble. Este important ca o astfel de estimare să fie complet independentă de estimările anterioare sau de scara distanței cosmice.
O măsurătoare nu a fost suficientă pentru a rezolva misterul diferenței dintre estimările Planck și SHoES, dar, în ansamblu, estimarea este deja în acord cu valorile cunoscute. Având în vedere că estimările anterioare se bazează pe statistici colectate de-a lungul anilor, acesta este un rezultat foarte semnificativ.
Câteva despre LIGO și erori
Panoul de sus arată o eroare în datele LIGO-Livingston și, de asemenea, arată clar prezența unui ciripit. Panoul de jos arată amplitudinea adimensională a oscilațiilor, „deformare” (cantitatea cu care descriem mărimea semnalului în LIGO și Virgo) în momentul defectului.
(durează doar aproximativ 1/4 de secundă), dar semnal foarte puternic. Suprimarea reduce glitch-ul la nivelul unei curbe portocalii, ceea ce indică nivelul de zgomot de fundal prezent întotdeauna în detectoarele LIGO.
Doar unul dintre detectoarele LIGO a văzut semnalul în modul automat, deoarece a avut loc o eroare la detectorul Livingston la momentul evenimentului. Acest termen se numește o explozie de zgomot, asemănător cu explozia statică dintr-un radio. Deși semnalul undei gravitaționale era clar vizibil pentru ochiul uman, automatizarea întrerupe astfel de date. Prin urmare, a fost necesar să ștergeți semnalul din eroare înainte ca datele să poată fi utilizate de detector. Defectele apar în detectoare tot timpul - aproximativ o dată la câteva ore. Oamenii de știință le clasifică după formă și durată și folosesc aceste cunoștințe pentru a îmbunătăți detectoarele. Îi puteți ajuta cu acest lucru în proiectul GravitySpy, în care utilizatorii caută și clasifică erori în datele LIGO pentru a ajuta oamenii de știință.
Întrebări fără răspuns
Găurile negre, stele neutronice și fuziunile lor ne sunt cunoscute. Există o regiune de mase medii, existența unor obiecte compacte cu care nu știm nimic. Credit: LIGO-Virgo / Northwestern / Frank Elavsky
Am detectat unde gravitaționale de la două obiecte compacte, iar observarea radiațiilor electromagnetice sugerează că una dintre ele a fost o stea neutronică. Dar a doua ar putea fi și o gaură neagră de masă mică și, deși nimeni nu a mai văzut astfel de găuri negre, teoretic ele pot exista. Nu este posibil să se determine cu siguranță din observația lui GW170817 dacă aceasta a fost o coliziune a două stele neutronice, deși acest lucru este mai probabil.
Al doilea moment curios: ce a devenit acest obiect după fuziune? Ar putea deveni fie o stea neutronică supermasivă (cea mai masivă cunoscută), fie cea mai ușoară gaură neagră cunoscută. Din păcate, nu există suficiente date de observație pentru a răspunde la această întrebare.
Concluzie
Observarea unei fuziuni a stelelor neutronice din toate intervalele este uimitor de bogată în fizică. Cantitatea de date obținute de oamenii de știință în doar aceste două luni a făcut posibilă pregătirea a câtorva zeci de publicații, iar multe altele vor fi atunci când datele vor deveni publice. Fizica stelelor neutronice este mult mai bogată și mai interesantă decât fizica găurilor negre - putem testa direct fizica unei stări superdense a materiei, precum și mecanica cuantică în câmpuri gravitaționale puternice. Această oportunitate unică ne poate ajuta să găsim în sfârșit legătura dintre relativitatea generală și fizica cuantică care ne-a ocolit până acum.Această descoperire arată încă o dată cât de importantă este munca comună a multor colaborări a mii de oameni în fizica modernă.
Reddit AMA
În mod tradițional, pe Reddit, oamenii de știință de la LIGO răspund la întrebările utilizatorilor, îl recomand cu căldură!Acest lucru se va întâmpla de la ora 18, ora Moscovei, pe 17 și 18 octombrie. Linkul către eveniment va fi la ora de începere.
Astăzi, la o conferință de presă la Washington, oamenii de știință au anunțat oficial înregistrarea unui eveniment astronomic pe care nimeni nu l-a înregistrat până acum - fuziunea a două stele neutronice. Conform rezultatelor observațiilor, peste 30 de articole științifice au fost publicate în cinci reviste, așa că nu putem spune despre totul deodată. Iată o scurtă prezentare și cele mai importante descoperiri.
Astronomii au observat fuziunea a două stele neutronice și nașterea unei noi găuri negre.
Stelele neutronice sunt obiecte care apar ca urmare a exploziilor de stele mari și masive (de câteva ori mai grele decât Soarele). Dimensiunile lor sunt mici (de obicei nu au mai mult de 20 de kilometri în diametru), dar densitatea și masa lor sunt enorme.
Ca rezultat al fuziunii a două stele neutronice la 130 de milioane de ani lumină de Pământ, s-a format o gaură neagră - un obiect chiar mai masiv și mai dens decât o stea neutronică. Fuziunea stelelor și formarea unei găuri negre a fost însoțită de eliberarea de energie enormă sub formă de radiații gravitaționale, gamma și optice. Toate cele trei tipuri de radiații au fost înregistrate de telescoape terestre și orbitale. Unda gravitațională a fost înregistrată de observatoarele LIGO și VIRGO.
Această undă gravitațională a fost cea mai mare undă de energie observată vreodată.
Toate tipurile de radiații au ajuns pe Pământ pe 17 august. În primul rând, interferometrele laser de la sol LIGO și Virgo au înregistrat compresia periodică și expansiunea spațiu-timp - o undă gravitațională care a înconjurat globul de mai multe ori. Evenimentul care a generat unda gravitațională a fost numit GRB170817A. Câteva secunde mai târziu, telescopul cu raze gamma Fermi de la NASA a detectat fotoni cu raze gamma de înaltă energie.
În această zi, telescoape mari și mici, de la sol și în orbita, care operează în toate razele, priveau un punct din spațiu.
Pe baza rezultatelor observațiilor de la Universitatea din California (Berkeley), au realizat o simulare pe computer a fuziunii stelelor neutronice. Ambele stele erau, aparent, puțin mai mult decât masa Soarelui (dar mult mai mică ca rază). Aceste două bile de o densitate incredibilă se învârteau una în jurul celeilalte, accelerând constant. Cam asa a fost:
Ca urmare a fuziunii stelelor neutronice, atomi de elemente grele - aur, uraniu, platină - au intrat în spațiul cosmic; astronomii cred că astfel de evenimente sunt sursa principală a acestor elemente în univers. Telescoapele optice au „văzut” mai întâi lumina vizibilă albastră, iar apoi radiația ultravioletă, care a fost înlocuită cu lumină roșie și radiație în domeniul infraroșu.
Această secvență este în concordanță cu predicțiile teoretice. Conform teoriei, în ciocnire, stelele neutronice pierd o parte din materie - aceasta este pulverizată în jurul locului de coliziune cu un nor imens de neutroni și protoni. Când o gaură neagră începe să se formeze, în jurul ei se formează un disc de acreție, în care particulele se rotesc cu o viteză extraordinară - atât de enormă încât unele depășesc gravitația găurii negre și zboară departe.
O astfel de soartă așteaptă aproximativ 2% din materia stelelor care se ciocnesc. Această substanță formează un nor în jurul găurii negre cu un diametru de zeci de mii de kilometri și o densitate aproximativ egală cu cea a Soarelui. Protonii și neutronii care alcătuiesc acest nor se lipesc împreună pentru a forma nuclee atomice. Apoi începe dezintegrarea acestor nuclee. Radiația nucleelor în descompunere a fost observată de astronomii terestre timp de câteva zile. De-a lungul milioanelor de ani care au trecut de la evenimentul GRB170817A, această radiație a umplut întreaga galaxie.
Pentru prima dată în istoria omenirii, astronomii au înregistrat undele gravitaționale din fuziunea a două stele neutronice. Evenimentul din galaxia NGC 4993 a fost „mirosit” pe 17 august de către observatorul gravitațional LIGO/ Virgo. În urma lor, alte instrumente astronomice s-au alăturat observațiilor. Ca urmare, 70 de observatoare au observat evenimentul și, conform observațiilor, cel puțin 20 (!) de articole științifice au fost publicate astăzi.
Zvonuri că detectoarele LIGO/ Virgo au înregistrat în sfârșit un nou eveniment și nu este o altă fuziune a găurilor negre, răspândită pe rețelele de socializare pe 18 august. Declarații despre el erau așteptate la sfârșitul lunii septembrie, dar apoi oamenii de știință s-au limitat la doar un alt eveniment gravitațional care implică două găuri negre - s-a întâmplat la 1,8 miliarde de ani lumină de Pământ, nu doar detectoarele americane au luat parte la observarea sa pe 14 august pentru prima dată, dar și Fecioara europeană, care s-a „alăturat” în vânătoarea de fluctuații în spațiu-timp cu două săptămâni înainte.
LIGO nou. Sursa cu omologul optic. Aruncă-ți șosetele!
J Craig Wheeler (@ ast309) 18 august 2017
După aceea, colaborarea a avut binemeritatul ei Premiu Nobel pentru fizică - pentru detectarea undelor gravitaționale și confirmarea corectitudinii lui Einstein, care le-a prezis existența - și acum a povestit lumii despre descoperirea, pe care a salvat-o „pentru dulce. ".
Ce sa întâmplat mai exact?
Stelele neutronice sunt obiecte foarte, foarte mici și foarte dense care apar de obicei din exploziile supernovei. Diametrul tipic al unei astfel de stele este de 10-20 km, iar masa este comparabilă cu masa Soarelui (al cărui diametru este de 100.000.000 de ori mai mare), astfel încât densitatea materiei într-o stea neutronică este de câteva ori mai mare decât densitatea unui nucleu atomic. În prezent, știm câteva mii de astfel de obiecte, dar există doar una și jumătate până la două duzini de sisteme binare.
Kylon (prin analogie cu „supernova”), al cărei efect gravitațional a fost înregistrat de LIGO/Fecioara pe 17 august, este situat în constelația Hydra la o distanță de 130 de milioane de ani lumină de Pământ. Ea a apărut din fuziunea a două stele neutronice cu mase cuprinse între 1,1 și 1,6 mase solare. Cât de aproape a fost acest eveniment de noi este indicat de faptul că, în timp ce semnalul de la fuziunea găurilor negre binare era de obicei în domeniul de sensibilitate al detectorilor LIGO pentru o fracțiune de secundă, semnalul înregistrat pe 17 august a durat aproximativ 100 de secunde.
„Nu este prima kilonova înregistrată”, astrofizicianul Serghei Popov, un cercetător de frunte la Institutul Astronomic de Stat, numit după V.I. PC. Sternberg, - dar puteau fi enumerate nici măcar pe degetele unei mâini, ci aproape pe urechi. Au fost literalmente unul sau doi.”
Aproape în același timp, la aproximativ două secunde după undele gravitaționale, Telescopul Spațial Fermi de la NASA și Laboratorul INTERNAțional de Astrofizică Gamma-Ray / INTEGRAL au înregistrat explozii de raze gamma. În zilele care au urmat, oamenii de știință au înregistrat radiații electromagnetice în alte game, inclusiv raze X, ultraviolete, optice, infraroșii și unde radio.
După ce au primit coordonatele, mai multe observatoare au putut începe căutarea în regiunea cerului unde se presupune că evenimentul a avut loc în câteva ore. Un nou punct luminos, care amintește de o nouă stea, a fost detectat de telescoapele optice și, ca urmare, aproximativ 70 de observatoare au observat acest eveniment în diferite game de lungimi de undă.
„Pentru prima dată, spre deosebire de fuziunile „singurate” ale găurilor negre, un eveniment „însoțitor” a fost înregistrat nu numai de detectoare gravitaționale, ci și de telescoape optice și neutrino. Acesta este primul astfel de dans rotund de observații în jurul unui eveniment ”, a spus Serghei Vyatchanin, profesor al Departamentului de Fizică al Universității de Stat din Moscova, care face parte dintr-un grup de oameni de știință ruși care au participat la observarea fenomenului sub conducerea lui Valery Mitrofanov, profesor al Facultății de Fizică a Universității de Stat din Moscova.
În momentul coliziunii, cea mai mare parte a celor două stele neutronice s-a contopit într-un singur obiect ultradens care emite raze gamma. Primele măsurători ale radiațiilor gamma, combinate cu detectarea undelor gravitaționale, susțin predicția teoriei generale a relativității a lui Einstein, și anume că undele gravitaționale se deplasează cu viteza luminii.
„În toate cazurile anterioare, găurile negre fuzionate au fost sursa undelor gravitaționale. În mod paradoxal, găurile negre sunt obiecte foarte simple constând exclusiv din spațiu curbat și, prin urmare, descrise complet de binecunoscutele legi ale relativității generale. În același timp, structura stelelor neutronice și, în special, ecuația de stare a materiei neutronice nu sunt încă cunoscute cu exactitate. Prin urmare, studiul semnalelor de la fuziunea stelelor neutronice va oferi o cantitate imensă de informații noi despre proprietățile materiei superdense în condiții extreme ”, a spus profesorul Facultății de Fizică a Universității de Stat din Moscova, Farit Khalili, care face și parte din grupul lui Mitrofanov. .
Care este semnificația acestei descoperiri?
În primul rând, observarea fuziunilor stelelor neutronice este o altă demonstrație clară a eficacității observațiilor astronomice, inițiate de detectoarele LIGO și Virgo.
„Aceasta este nașterea unei noi științe! Așa este ziua de astăzi, - a declarat pentru Cherdak Vladimir Lipunov, șeful laboratorului de monitorizare spațială al Universității de Stat din Moscova și șeful proiectului MASTER. - Se va numi astronomie gravitațională. Acesta este momentul în care toate metodele de astronomie vechi de o mie de ani, pe care mii de astronomi le-au folosit de multe mii de ani, au fost puse la punct, vor deveni utile pentru subiectele undelor gravitaționale. Până acum, toate acestea erau pură fizică, adică chiar fantezie din punctul de vedere al publicului, dar acum este deja realitate. Noua realitate”.
„Acum un an și jumătate, când au fost descoperite undele gravitaționale, a fost descoperit un nou mod de a studia Universul, studiind natura Universului. Și această nouă metodă și-a demonstrat deja capacitatea de a ne oferi informații importante și profunde despre diferite fenomene din Univers într-un an și jumătate. Timp de câteva decenii, undele gravitaționale au încercat doar să detecteze, iar apoi o dată - în urmă cu un an și jumătate au fost detectate, au primit Premiul Nobel, iar acum a trecut un an și jumătate și se arată într-adevăr că în afară de steagul pe care îl ridica toată lumea - aha, Einstein avea dreptate! - chiar funcționează deja acum, abia la începutul științei astronomiei gravitaționale, se dovedește a fi atât de eficient încât să studieze diferite fenomene din Univers ”, astrofizicianul Yuri Kovalev, șeful laboratorului de cercetare fundamentală și aplicată al obiecte relativiste ale Universului Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova, a declarat șeful laboratorului FIAN, șeful programului științific al proiectului Radioastron.
În plus, în timpul observațiilor au fost colectate o cantitate imensă de date noi. În special, s-a înregistrat că în procesul de fuziune a stelelor neutronice se formează elemente grele precum aurul, platina și uraniul. Aceasta confirmă una dintre teoriile existente despre originea elementelor grele în Univers. Simulările au arătat deja că exploziile de supernove nu sunt suficiente pentru sinteza elementelor grele din Univers, iar în 1999 un grup de oameni de știință elvețieni a sugerat că fuziunile stelelor neutronice ar putea servi ca o altă sursă de elemente grele. Deși kilonovae sunt mult mai rare decât exploziile de supernove, ele pot genera majoritatea elementelor grele.
„Imaginați-vă că nu ați găsit niciodată bani pe stradă și apoi i-ați găsit în sfârșit. Și aceasta este doar o mie de dolari, - spune Serghei Popov. - În primul rând, este o confirmare că undele gravitaționale se propagă cu viteza luminii, confirmare cu o precizie de 10 -15. Acesta este un lucru foarte important. În al doilea rând, acesta este un anumit număr de confirmări pur tehnice ale unui număr de prevederi ale teoriei generale a relativității, care este foarte importantă pentru fizica fundamentală în general. În al treilea rând, dacă ne întoarcem la astrofizică, aceasta este confirmarea faptului că GRB-urile scurte sunt o fuziune a stelelor neutronice. Cât despre elementele grele, atunci, desigur, nu că nimeni nu ar fi crezut în așa ceva înainte. Dar nu a existat un set de date atât de minunat.”
Și acest set de date deja în prima zi a permis oamenilor de știință să publice, conform calculelor „Atic”, cel puțin 20 de articole (opt în Ştiinţă, cinci in Natură, doi in Scrisori de revizuire fizicăși cinci in Scrisori din jurnalul astrofizic). După calculele jurnaliştilor Ştiinţă, numărul de autori ai articolului care descrie evenimentul corespunde cu aproximativ o treime din toți astronomii activi. Aștepți cu nerăbdare să continui? Noi suntem.
Rezultatele observaționale ar putea, în viitor, să arunce lumină asupra misterului structurii stelelor neutronice și al formării elementelor grele în Univers.
Reprezentare artistică a undelor gravitaționale generate de fuziunea a două stele neutronice
Imagine: R. Hurt / Caltech-JPL
Moscova. 16 octombrie. site - Oamenii de știință au înregistrat pentru prima dată în istorie undele gravitaționale de la fuziunea a două stele neutronice - obiecte superdense cu o masă a Soarelui nostru și dimensiunea Moscovei, relatează site-ul N + 1.
Explozia de raze gamma rezultată și izbucnirea kilonova au fost observate de aproximativ 70 de observatoare terestre și spațiale - au putut să vadă procesul de sinteză a elementelor grele, inclusiv aur și platină, prezis de teoreticieni și să confirme corectitudinea ipoteze despre natura exploziilor scurte de raze gamma misterioase, a raportat serviciul de presă al colaborării LIGO / Virgo, Observatorul European de Sud și Observatorul Los Cumbres. Rezultatele observațiilor pot arunca lumină asupra misterului structurii stelelor neutronice și asupra formării elementelor grele în Univers.
Undele gravitaționale sunt unde de oscilații ale geometriei spațiu-timpului, a căror existență a fost prezisă de teoria generală a relativității. Pentru prima dată, colaborarea LIGO a anunțat detectarea lor fiabilă în februarie 2016 - la 100 de ani după predicțiile lui Einstein.
Se pare că în dimineața zilei de 17 august 2017 (la ora 8:41, ora Coastei de Est SUA, când era ora 15:41 la Moscova), sistemele automate de pe unul dintre cele două detectoare ale observatorului undelor gravitaționale LIGO au înregistrat sosirea o undă gravitațională din spațiu. Semnalul a primit denumirea GW170817, era deja al cincilea caz de fixare a undelor gravitaționale din 2015, din momentul în care au fost înregistrate pentru prima dată. Cu doar trei zile mai devreme, observatorul LIGO a „auzit” pentru prima dată o undă gravitațională împreună cu proiectul european Virgo.
Cu toate acestea, de data aceasta, la doar două secunde după evenimentul gravitațional, telescopul spațial Fermi a detectat o explozie de raze gamma pe cerul sudic. Aproape în același moment, observatorul spațial european-rus INTEGRAL a văzut izbucnirea.
Sistemele automate de analiză a datelor LIGO au ajuns la concluzia că coincidența acestor două evenimente este extrem de puțin probabilă. În cursul căutării de informații suplimentare, s-a descoperit că unda gravitațională a fost văzută și de cel de-al doilea detector LIGO, precum și de observatorul gravitațional european Virgo. Astronomii din întreaga lume erau „în alertă” - căutarea sursei undelor gravitaționale și a exploziilor de raze gamma au început multe observatoare, inclusiv Observatorul European de Sud și telescopul spațial Hubble.
Sarcina nu a fost ușoară - datele combinate de la LIGO / Virgo, Fermi și INTEGRAL au permis să delimiteze o zonă de 35 de grade pătrate - aceasta este o zonă aproximativă de câteva sute de discuri lunare. Doar 11 ore mai târziu, un mic telescop Swope cu oglindă de metru, situat în Chile, a făcut prima fotografie a presupusei surse - arăta ca o stea foarte strălucitoare lângă galaxia eliptică NGC 4993 din constelația Hydra. În următoarele cinci zile, luminozitatea sursei a scăzut de 20 de ori, iar culoarea a trecut treptat de la albastru la roșu. În tot acest timp, obiectul a fost observat de multe telescoape în intervalele de la raze X la infraroșu, până când în septembrie galaxia a fost prea aproape de Soare și a devenit inaccesibilă pentru observare.
Oamenii de știință au ajuns la concluzia că sursa erupției a fost localizată în galaxia NGC 4993, la o distanță de aproximativ 130 de milioane de ani lumină de Pământ. Este incredibil de aproape, până acum undele gravitaționale au venit la noi de la distanțe de miliarde de ani lumină. Datorită acestei apropieri, i-am putut auzi. Sursa undei a fost fuziunea a două obiecte cu mase în intervalul de la 1,1 la 1,6 mase solare - acestea puteau fi doar stele neutronice.
Localizarea sursei undelor gravitaționale în galaxia NGC 4993
Explozia în sine „a sunat” pentru o perioadă foarte lungă de timp - aproximativ 100 de secunde, a dat explozii care au durat o fracțiune de secundă. O pereche de stele neutronice se învârte în jurul unui centru de masă comun, pierzând treptat energie sub formă de unde gravitaționale și convergând. Când distanța dintre ele a fost redusă la 300 km, undele gravitaționale au devenit suficient de puternice pentru a atinge zona de sensibilitate a detectorilor gravitaționali LIGO / Virgo. Stelele neutronice au reușit să completeze 1,5 mii de rotații una în jurul celeilalte. Când două stele neutronice se contopesc într-un singur obiect compact (stea neutronică sau gaură neagră), are loc o explozie puternică de radiație gamma.
Astronomii numesc astfel de explozii de raze gamma explozii de raze gamma scurte; telescoapele cu raze gamma le înregistrează aproximativ o dată pe săptămână. Scurta explozie de raze gamma raportată de la fuziunea unei stele de neutroni a durat 1,7 secunde.
În timp ce natura GRB-urilor lungi este mai de înțeles (sursele lor sunt explozii de supernove), nu a existat un consens cu privire la sursele exploziilor scurte. A existat o ipoteză că acestea sunt generate de fuziunea stelelor neutronice.
Acum, oamenii de știință au putut confirma pentru prima dată această ipoteză, deoarece datorită undelor gravitaționale, cunoaștem masa componentelor îmbinate, ceea ce demonstrează că acestea sunt tocmai stele neutronice.
"Timp de decenii, am bănuit că GRB-urile scurte provoacă fuziuni stelelor neutronice. Acum, datorită datelor de la LIGO și Virgo, avem un răspuns pentru acest eveniment. Undele gravitaționale ne spun că obiectele îmbinate aveau mase corespunzătoare stelelor neutronice, iar GRB spune că aceste obiecte cu greu ar putea fi găuri negre, deoarece ciocnirea găurilor negre nu ar trebui să genereze radiații”, spune Julie McEnery, ofițer de proiect Fermi la Goddard Space Flight Center al NASA.
Sursă de aur și platină
În plus, astronomii au primit, pentru prima dată, confirmarea fără ambiguitate a existenței rachetelor de kilon (sau „macron”), care sunt de aproximativ 1.000 de ori mai puternice decât rachetele nova obișnuite. Teoreticienii au prezis că kilonovurile ar putea apărea din fuziunea stelelor neutronice sau a unei stele neutronice cu o gaură neagră.
Aceasta declanșează sinteza elementelor grele pe baza captării neutronilor de către nuclee (procesul r), în urma căreia multe dintre elementele grele, precum aurul, platina sau uraniul, au apărut în Univers.
Potrivit oamenilor de știință, la o explozie a unui kilonova, poate apărea o cantitate uriașă de aur - de până la de zece ori masa Lunii. Până acum, a fost observat un singur eveniment care ar putea fi o explozie de kilonova.
Acum, astronomii au putut observa pentru prima dată nu numai nașterea kilonovai, ci și produsele „lucrării” acesteia. Spectrele obținute cu telescoapele Hubble și VLT (Very Large Telescope) au arătat prezența cesiuului, teluriului, aurului, platinei și a altor elemente grele formate prin fuziunea stelelor neutronice.
La 11 ore după coliziune, temperatura kilonova a fost de 8 mii de grade, iar rata de expansiune a acesteia a ajuns la aproximativ 100 de mii de kilometri pe secundă, notează N + 1, citând date de la Institutul Astronomic de Stat Sternberg (GAISh).
ESO a spus că observația a coincis aproape perfect cu predicția comportamentului a două stele neutronice atunci când acestea se unesc.
„Până acum, datele pe care le-am obținut sunt în excelent acord cu teoria. Acesta este un triumf pentru teoreticieni, o confirmare a realității absolute a evenimentelor înregistrate de observatoarele LIGO și VIrgo și realizarea remarcabilă a ESO, care a reușit să obțină astfel de observații ale kilonovai”, spune Stefano Covino, primul autor al unuia dintre articolele din Nature Astronomy.
Așa au văzut astronomii ciocnirea stelelor neutronice
Oamenii de știință nu au încă un răspuns la întrebarea ce a mai rămas după fuziunea stelelor neutronice - ar putea fi fie o gaură neagră, fie o nouă stea neutronică; în plus, nu este complet clar de ce explozia de raze gamma a fost relativ slabă. .
