Idag, vid flera samtidiga presskonferenser, meddelade forskare från gravitationsobservatorierna LIGO och Virgo, såväl som från andra vetenskapliga institutioner runt om i världen, att de i augusti i år kunde upptäcka för första gången gravitationsvågor som genererades av sammanslagningen. av två neutronstjärnor. Tidigare har gravitationsvågor noterats av fysiker fyra gånger, men i alla fall genererades de av sammanslagning av två svarta hål, inte neutronstjärnor.
© ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Dessutom, för första gången i historien, noterades en händelse som orsakade gravitationsvågor inte bara avorer, utan observerades också av rymd- och markbaserade teleskop inom olika områden (röntgen, ultraviolett, synlig, infraröd och radio). intervall). Upptäckten kommer inte bara att möjliggöra nästa steg i studiet av gravitationsvågor och gravitation, utan kommer också att ge betydande framsteg i studiet av neutronstjärnor. I synnerhet bekräftar det hypotesen om syntesen av tunga element i processen att slå samman neutronstjärnor och arten av gammastrålningskurar. Upptäckten beskrivs i ett antal artiklar publicerade i Nature, Nature Astronomy, Physical Review Letters och Astrophysical Journal Letters.
Gravitationsvågor genereras av alla föremål som har massa och rör sig med ojämn acceleration, men tillräckligt starka vågor som kan detekteras med hjälp av mänskliga anordningar föds under interaktionen mellan föremål med mycket stor massa: svarta hål, komponenter av binära stjärnor, neutroner stjärnor. Strömvågen, betecknad GW170817, upptäcktes av båda detektorerna vid LIGO gravitationsobservatoriet i USA och Jungfrudetektorn i Italien den 17 augusti i år.
Närvaron av tre detektorer placerade på olika punkter på jorden gör det möjligt för forskare att ungefär bestämma läget för vågkällan. Två sekunder efter att gravitationsobservatorierna registrerat vågen GW170817, noterades en gammablixt i området där dess källa skulle finnas. Detta gjordes av rymdgammastrålningsteleskopen Fermi (Fermi Gamma-ray Space Telescope) och INTEGRAL (INTERnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory). Efter det började många mark- och rymdobservatorier leta efter en möjlig källa till dessa händelser. Området för sökområdet, bestämt från data från gravitationsobservatorier och gammastråleteleskop, var ganska stort och uppgick till cirka 35 kvadratgrader, flera hundra fulla månskivor skulle passa i en sådan del av himlen, och antalet stjärnor på den är flera miljoner. Men de lyckades ändå hitta källan till gravitationsvågen och gammastrålningen.
Elva timmar efter gammastrålningen var det reflekterande teleskopet Swope som arbetade vid Las Campanas-observatoriet i Chile först att göra detta. Efter det avbröt flera stora teleskop omedelbart sina tidigare godkända program för sina observationer och gick över till att observera den lilla galaxen NGC 4993 i stjärnbilden Hydra, på ett avstånd av 40 parsecs från solsystemet (cirka 130 miljoner ljusår). Denna händelse utlöste de första ryktena om upptäckten, men forskare bekräftade inte officiellt något förrän dagens presskonferenser.
Faktum är att källan till vågorna och gammastrålningen var en stjärna belägen nära galaxen NGC 4993. Denna stjärna övervakades i flera veckor av Pan-STARRS- och Subaru-teleskopen på Hawaii, Very Large Telescope of the European Southern Observatory (VLT ESO) ), New Technology Telescope (NTT), VLT Survey Telescope (VST), 2,2-meters MPG / ESO-teleskop, array of telescopes ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array) - totalt deltog ett sjuttiotal observatorier från hela världen i observationerna, samt rymdteleskopet Hubble. "Det är sällsynt för en vetenskapsman att bevittna början på en ny era inom vetenskapen", citerade astronomen Elena Pian vid INAF Italiens astrofysiska institut i ett pressmeddelande från ESO. "Detta är ett av de fallen!" Astronomerna hade lite tid, eftersom galaxen NGC 4993 endast var tillgänglig för observation på kvällen i augusti, visade sig den i september vara för nära solen på himlen och blev omöjlig att observera.
Den observerade stjärnan var från början mycket ljus, men under de första fem observationsdagarna minskade dess ljusstyrka med en faktor tjugo. Denna stjärna ligger på samma avstånd från oss som galaxen NGC 4993 - 130 miljoner ljusår. Det betyder att gravitationsvågen GW170817 har sitt ursprung på rekordavstånd nära oss. Beräkningar visade att källan till gravitationsvågen var sammanslagning av föremål vars massor är från 1,1 till 1,6 solmassor, vilket betyder att de inte kunde vara svarta hål. Så neutronstjärnor blev den enda möjliga förklaringen.
Sammansatt bild av NGC 4993
och kilonova enligt många ESO-instrument
© ESO
Genereringen av gravitationsvågor av neutronstjärnor sker enligt samma scenario som under sammanslagning av svarta hål, endast de vågor som genereras av neutronstjärnor är svagare. Roterande runt en gemensam tyngdpunkt i ett binärt system förlorar två neutronstjärnor energi genom att sända ut gravitationsvågor. Därför närmar de sig gradvis varandra tills de smälter samman till en neutronstjärna (det finns en möjlighet att ett svart hål också kan dyka upp under sammanslagningen). Sammanslagningen av två neutronstjärnor åtföljs av en blixt som är mycket ljusare än en normal ny stjärna. Astronomer föreslår namnet "kilon" för det. Under sammanslagningen omvandlas en del av massan av två stjärnor till energin från gravitationsvågor, som denna gång upptäcktes av jordiska forskare.
Även om kilonstjärnor förutspåddes för över 30 år sedan, är det första gången en sådan stjärna har upptäckts. Dess egenskaper, fastställda som ett resultat av observationer, överensstämmer väl med tidigare förutsägelser. Som ett resultat av sammanslagning av två neutronstjärnor och explosionen av en kilonova frigörs radioaktiva tunga kemiska grundämnen som flyger isär med en hastighet av en femtedel av ljusets hastighet. Inom några dagar – snabbare än någon annan stjärnexplosion – ändras färgen på kilonovan från klarblått till rött. "När objektets spektrum dök upp på våra monitorer insåg jag att detta är det mest ovanliga transientfenomen som jag någonsin har sett", säger Stephen Smartt, som gjorde observationer med ESO NTT-teleskopet. "Jag har aldrig sett något liknande. Våra data, såväl som data från andra forskargrupper, visar tydligt att detta inte var en supernova eller en bakgrundsvariabel stjärna, utan något helt ovanligt.”
Stjärnans emissionsspektra visar närvaron av cesium och tellur, som kastas ut i rymden under sammanslagning av neutronstjärnor. Denna observation bekräftade teorin om r-nukleosyntes (r-process, snabb neutronfångningsprocess) formulerad tidigare av astrofysiker i det inre av supertäta stjärnobjekt. De kemiska grundämnena som bildades under sammanslagning av neutronstjärnor spreds ut i rymden efter explosionen av kilonovan.
En annan teori om astronomer har också bekräftats, enligt vilken korta gammastrålningskurar inträffar under sammanslagning av neutronstjärnor. Denna idé har uttryckts under lång tid, men endast kombinationen av data från gravitationsobservatorierna LIGO och Jungfrun med observationer från astronomer gjorde det möjligt att äntligen verifiera dess riktighet.
"Än så länge överensstämmer de uppgifter vi har fått utmärkt med teorin. Detta är en triumf för teoretiker, en bekräftelse på den absoluta verkligheten av händelserna som registrerats av LIGO-VIRGO-anläggningarna, och en anmärkningsvärd prestation av ESO, som lyckades få sådana observationer av kilonovan”, säger astronomen Stefano Covino.
I går, vid en presskonferens i Washington, tillkännagav forskare officiellt registreringen av en astronomisk händelse som ingen hade registrerat tidigare - sammanslagning av två neutronstjärnor. Baserat på resultaten av observationen publicerades mer än 30 vetenskapliga artiklar i fem tidskrifter, så vi kan inte berätta allt på en gång. Här är en sammanfattning och de viktigaste upptäckterna. 
Astronomer har observerat sammanslagning av två neutronstjärnor och födelsen av ett nytt svart hål. Neutronstjärnor är föremål som uppstår som ett resultat av explosioner av stora och massiva (flera gånger tyngre än solen) stjärnor. Deras dimensioner är små (de är vanligtvis inte mer än 20 kilometer i diameter), men deras densitet och massa är enorma. Som ett resultat av sammanslagning av två neutronstjärnor 130 miljoner ljusår från jorden bildades ett svart hål - ett föremål som är ännu mer massivt och tätare än en neutronstjärna. Sammanslagningen av stjärnor och bildandet av ett svart hål åtföljdes av frigörandet av enorm energi i form av gravitations-, gamma- och optisk strålning. Alla tre typerna av strålning registrerades av terrestra och orbitala teleskop. Gravitationsvågen registrerades av LIGO- och VIRGO-observatorierna. 
Denna gravitationsvåg var den högsta energivåg som någonsin observerats hittills. Alla typer av strålning nådde jorden den 17 augusti. Först registrerade markbaserade laserinterferometrar LIGO och Jungfrun periodisk kompression och expansion av rum-tid - en gravitationsvåg som cirklade runt jordklotet flera gånger. Händelsen som gav upphov till gravitationsvågen fick namnet GRB170817A. Några sekunder senare upptäckte NASA:s Fermi Gamma-ray Telescope högenergiska gammastrålefotoner. Och sedan började något: efter att ha fått en varning från LIGO / Jungfru-samarbetet, ställde astronomer runt jorden in sina teleskop efter strålningskällans koordinater. Den här dagen tittade stora och små, markbaserade och orbitala teleskop, verksamma inom alla områden, på en punkt i rymden. Baserat på resultaten av observationer vid University of California (Berkeley) gjorde de en datorsimulering av sammanslagning av neutronstjärnor. Båda stjärnorna var tydligen en massa något större än solen (men med en mycket mindre radie). Dessa två bollar av otrolig täthet virvlade runt varandra och accelererade konstant. Så här var det: Som ett resultat av sammanslagning av neutronstjärnor kom atomer av tunga element - guld, uran, platina - in i yttre rymden; astronomer tror att sådana händelser är huvudkällan till dessa element i universum. Optiska teleskop "såg" först blått synligt ljus, och sedan ultraviolett strålning, som ersattes av rött ljus och infraröd strålning. 
Denna sekvens sammanfaller med teoretiska förutsägelser. Enligt teorin förlorar kolliderande neutronstjärnor en del av materien - den sprayas runt kollisionsplatsen med ett enormt moln av neutroner och protoner. När ett svart hål börjar bildas bildas en ansamlingsskiva runt det, där partiklar snurrar i en enorm hastighet - så enorm att vissa övervinner det svarta hålets gravitation och flyger iväg. Ett sådant öde väntar ungefär 2% av de kolliderande stjärnornas materia. Detta ämne bildar ett moln runt det svarta hålet med en diameter på tiotusentals kilometer och en densitet som är ungefär lika med solens. Protonerna och neutronerna som utgör detta moln håller ihop för att bilda atomkärnor. Sedan börjar sönderfallet av dessa kärnor. Strålningen från ruttnande kärnor observerades av terrestra astronomer i flera dagar. Under de miljontals år som har gått sedan händelsen GRB170817A har denna strålning fyllt hela galaxen.
Innan vi observerade denna händelse hade vi två sätt att uppskatta frekvensen av neutronhålssammanslagningar: mätningar av binära neutronstjärnor i vår galax (som från pulsarer) och våra teoretiska modeller av stjärnbildning, supernovor och deras rester. Allt detta ger oss en uppskattning - cirka 100 sådana sammanslagningar sker årligen inom en kubik gigaparsek utrymme.
Observationen av den nya händelsen har gett oss den första observerade uppskattningen av norrskens frekvens, och den är tio gånger större än förväntat. Vi trodde att vi skulle behöva LIGO, som nådde sin känslighetsgräns (nu halvvägs) för att se åtminstone något, och sedan tre extra detektorer för att lokalisera platsen. Och vi lyckades inte bara se den tidigt, utan också lokalisera den vid första försöket. Så frågan är: har vi bara tur att se denna händelse, eller är frekvensen av sådana händelser verkligen mycket högre än vi trodde? Om högre, var har våra teoretiska modeller då fel? Nästa år ska LIGO gå till moderniseringen, och teoretiker kommer att få lite tid att brainstorma.
Vad är det som gör att ämnet stöts ut under fusionsprocessen i en sådan mängd?
Våra bästa teoretiska modeller förutspådde att stjärnsammanslagningar som denna skulle åtföljas av en stark ljussignal i de ultravioletta och optiska delarna av spektrumet under dagen och sedan dämpas och försvinna. Men istället höll glöden i två dagar innan den började blekna och vi hade såklart frågor. Det starka sken som varat så länge är ett bevis på att vindarna i skivan runt stjärnorna har kastat 30-40 Jupitermassor i form av materia. Enligt våra uppgifter ska ämnet ha varit mindre än hälften eller till och med åtta gånger.
Vad är det som är så ovanligt med dessa utsläpp? För att simulera en sådan sammanslagning måste du inkludera många olika fysik:
- hydrodynamik
- magnetiska fält
- ekvation av materiens tillstånd vid kärndensiteter
- interaktioner med neutriner
…och mycket mer. Olika koder modellerar dessa komponenter med olika nivåer av komplexitet, och vi vet inte säkert vilken av komponenterna som är ansvarig för dessa vindar och utsläpp. Att hitta rätt är ett problem för teoretiker, och vi måste stå ut med det faktum att vi mätte den första neutronstjärnans sammanslagning ... och fick en överraskning.
I de sista ögonblicken av sammanslagningen avger de två neutronstjärnorna inte bara , utan också en katastrofal explosion som ekar över hela det elektromagnetiska spektrumet. Och om produkten är en neutronstjärna, ett svart hål eller något exotiskt däremellan, vet vi ännu inte övergångstillståndet.
Framkallade denna sammanslagning en supermassiv neutronstjärna?
För att erhålla tillräckligt med förlorad massa från en neutronstjärnefusion måste produkten av den sammanslagningen generera tillräckligt med energi av lämplig typ för att blåsa bort den massan från skivan som omger stjärnan. Baserat på den observerade gravitationsvågssignalen kan vi säga att denna sammanslagning skapade ett objekt med en massa på 2,74 solmassor, vilket är mycket högre än den maximala solmassan som en icke-roterande neutronstjärna kan ha. Det vill säga, om kärnämne beter sig som förväntat av den, borde sammanslagningen av två neutronstjärnor ha lett till uppkomsten av ett svart hål.
En neutronstjärna är en av de tätaste samlingarna av materia i universum, men dess massa har en övre gräns. Överskrid det - och neutronstjärnan kollapsar igen och bildar ett svart hål
Om kärnan av detta objekt efter sammanslagningen omedelbart kollapsade i ett svart hål, skulle det inte bli något utkast. Om den istället skulle bli en supermassiv neutronstjärna måste den snurra extremt snabbt, eftersom den stora rörelsemängden skulle öka den maximala massagränsen med 10-15%. Problemet är att om vi skulle få en snurrande supermassiv neutronstjärna så snabbt, så måste den bli en magnetar med ett extremt kraftfullt magnetfält, en kvadriljon gånger kraftfullare än fälten på jordens yta. Men magnetarer slutar snabbt snurra och bör kollapsa till ett svart hål på 50 millisekunder; våra observationer av magnetfälten, viskositeten och värmen som kastade ut massan visar att föremålet existerade i hundratals millisekunder.
Något är fel här. Antingen har vi en snabbt snurrande neutronstjärna som av någon anledning inte är en magnetar, eller så kommer vi att ha hundratals millisekunder av spikar och vår fysik ger oss inte svaret. Samtidigt, även om det inte var så länge, hade vi troligen en supermassiv neutronstjärna och bakom den ett svart hål. Om båda alternativen är korrekta har vi att göra med den mest massiva neutronstjärnan och det mest lågmassa svarta hålet i hela observationshistorien!
Om dessa neutronstjärnor var mer massiva, skulle sammanslagningen vara osynlig?
Det finns en gräns för hur massiva neutronstjärnor kan vara, och lägger man till fler och fler massor får man exakt ett svart hål. Denna solmassagräns på 2,5 för icke-roterande neutronstjärnor innebär att om den totala massan av sammanslagningen är lägre, kommer du nästan säkert att sitta kvar med neutronstjärnan efter sammanslagningen, vilket resulterar i de starka och långvariga ultravioletta och optiska signalerna vi såg i detta fall. Å andra sidan, om man stiger över 2,9 solmassor kommer ett svart hål att bildas direkt efter sammanslagningen, ganska troligt - utan ultraviolett och optiskt ackompanjemang.
Hur som helst, vår allra första sammanslagning av neutronstjärnor hamnade precis i mitten av det här området, när en supermassiv neutronstjärna kunde dyka upp som producerade skurar och optiska och ultravioletta signaler under en kort tid. Uppstår magnetarer vid mindre massiva sammanslagningar? Och de mer massiva - de kommer omedelbart till svarta hål och förblir osynliga vid dessa våglängder? Hur sällsynta eller vanliga är dessa tre kategorier av sammanslagningar: vanliga neutronstjärnor, supermassiva neutronstjärnor och svarta hål? Om ett år kommer LIGO och Jungfrun att leta efter svar på dessa frågor, och teoretiker har bara ett år på sig att anpassa sina modeller till prognoserna.
Vad är det som gör att gammastrålar blir så ljusa åt många håll och inte i en kon?
Denna fråga är mycket svår. Å ena sidan bekräftade upptäckten det som länge hade misstänkts men aldrig bevisats: att sammanslagna neutronstjärnor faktiskt producerar gammastrålar. Men vi har alltid antagit att gammastrålar bara avger gammastrålar i en smal konform, 10-15 grader i diameter. Nu vet vi, från positionen för sammanslagningen och gravitationsvågornas storlek, att gammastrålningsskurarna är 30 grader bort från vår siktlinje, men vi ser fortfarande en kraftfull gammastrålningssignal.
Naturen hos gammastrålning måste förändras. Utmaningen för teoretiker är att förklara varför dessa objekts fysik skiljer sig så mycket från vad våra modeller förutspår.
I en separat rad: hur ogenomskinliga / transparenta är tunga element?
När det kommer till de tyngsta grundämnena i det periodiska systemet vet vi att de mestadels inte produceras av supernovor, utan av sammanslagningar av svarta hål. Men för att få spektra av tunga grundämnen från 100 miljoner ljusår bort måste du förstå deras transparens. Detta inkluderar att förstå de atomära fysiska övergångarna för elektroner i en atoms orbitaler i en astronomisk miljö. För första gången har vi ett medium för att testa hur astronomi skär sig med atomfysik, och efterföljande observationer av sammanslagningar borde göra det möjligt för oss att också svara på frågan om opacitet och transparens.
Det är möjligt att sammanslagningar av neutronstjärnor sker hela tiden, och när LIGO når sin planerade känslighetsnivå kommer vi att hitta dussintals sammanslagningar om året. Det är också möjligt att denna händelse var extremt sällsynt och vi kommer att ha turen att bara se en per år, även efter uppdatering av installationer. Teoretiska fysiker kommer att ägna de kommande tio åren åt att söka efter svar på frågorna som beskrivs ovan.
Astronomis framtid ligger framför oss. Gravitationsvågor är ett nytt, helt oberoende sätt att utforska himlen och genom att jämföra gravitationsvåghimlen med traditionella astronomiska kartor är vi redo att svara på frågor som vi inte vågade ställa förrän för en vecka sedan.
Resultaten av observationer kan i framtiden kasta ljus över mysteriet med neutronstjärnornas struktur och bildandet av tunga element i universum.
Konstnärlig skildring av gravitationsvågor som genereras av sammanslagning av två neutronstjärnor
Bild: R. Hurt/Caltech-JPL
Moskva. 16 oktober. webbplats - För första gången i historien har forskare registrerat gravitationsvågor från sammanslagning av två neutronstjärnor - supertäta objekt med en massa av vår sol och storleken på Moskva, rapporterar webbplatsen N + 1.
Gammastrålningen och kilonovablixten som följde observerades av cirka 70 mark- och rymdobservatorier - de kunde se syntesen av tunga grundämnen som förutspåtts av teoretiker, inklusive guld och platina, och bekräftar riktigheten av hypoteserna om naturen av de mystiska korta gammastrålningen, rapporterar samarbetspresstjänsten LIGO/Virgo, European Southern Observatory och Los Cumbres Observatory. Resultaten av observationer kan kasta ljus över mysteriet med neutronstjärnornas struktur och bildandet av tunga element i universum.
Gravitationsvågor är vågor av fluktuationer i rumtidsgeometrin, vars existens förutspåddes av den allmänna relativitetsteorin. För första gången rapporterade LIGO-samarbetet sin tillförlitliga upptäckt i februari 2016 - 100 år efter Einsteins förutsägelser.
Enligt uppgift, på morgonen den 17 augusti 2017 (kl. 8.41 östkusttid, när klockan var 15.41 i Moskva), registrerade automatiska system på en av de två detektorerna i LIGO gravitationsvågsobservatoriet ankomsten av en gravitationsvåg från rymden. Signalen fick beteckningen GW170817, det var redan det femte fallet med detektering av gravitationsvågor sedan 2015, från det ögonblick de först registrerades. Bara tre dagar tidigare "hörde" LIGO-observatoriet en gravitationsvåg för första gången tillsammans med det europeiska projektet Virgo.
Men den här gången, bara två sekunder efter gravitationshändelsen, registrerade rymdteleskopet Fermi en blixt av gammastrålning på den södra himlen. Nästan i samma ögonblick sågs blossen av det europeiskt-ryska rymdobservatoriet INTEGRAL.
De automatiska dataanalyssystemen från LIGO-observatoriet kom till slutsatsen att sammanträffandet av dessa två händelser är extremt osannolikt. Under sökandet efter ytterligare information fann man att den andra LIGO-detektorn, liksom det europeiska gravitationsobservatoriet Virgo, såg gravitationsvågen. Astronomer runt om i världen har satts i "alarmering" eftersom många observatorier, inklusive European Southern Observatory och Hubble Space Telescope, har börjat jaga efter källan till gravitationsvågor och gammastrålningen.
Uppgiften var inte lätt - de kombinerade data från LIGO / Jungfrun, Fermi och INTEGRAL gjorde det möjligt att avgränsa ett område på 35 kvadratgrader - detta är den ungefärliga arean av flera hundra månskivor. Det var inte förrän 11 timmar senare som det lilla Swope-teleskopet med en meterspegel i Chile tog den första bilden av den påstådda källan – den såg ut som en mycket ljus stjärna bredvid den elliptiska galaxen NGC 4993 i stjärnbilden Hydra. Under de kommande fem dagarna sjönk ljusstyrkan på källan med en faktor 20, och färgen skiftade gradvis från blått till rött. Hela denna tid observerades objektet av många teleskop i intervallet från röntgen till infrarött, tills galaxen i september var för nära solen och blev omöjlig att observera.
Forskare har kommit till slutsatsen att källan till utbrottet var i galaxen NGC 4993 på ett avstånd av cirka 130 miljoner ljusår från jorden. Detta är otroligt nära, hittills har gravitationsvågor kommit till oss från avstånd på miljarder ljusår. Tack vare denna närhet kunde vi höra dem. Källan till vågen var sammanslagning av två objekt med massor i intervallet från 1,1 till 1,6 solmassor - dessa kunde bara vara neutronstjärnor.
Lokalisering av källan till gravitationsvågor i galaxen NGC 4993
Själva skuren "lät" väldigt länge - cirka 100 sekunder, gav skurar som varade en bråkdel av en sekund. Ett par neutronstjärnor kretsade runt ett gemensamt masscentrum och förlorade gradvis energi i form av gravitationsvågor och närmade sig. När avståndet mellan dem minskades till 300 km, blev gravitationsvågor tillräckligt kraftfulla för att komma in i känslighetszonen för gravitationsdetektorerna LIGO/Virgo. Neutronstjärnor lyckades göra 1,5 tusen varv runt varandra. I ögonblicket för sammanslagning av två neutronstjärnor till ett kompakt objekt (en neutronstjärna eller ett svart hål) uppstår en kraftfull blixt av gammastrålning.
Astronomer kallar sådana gammastrålningskurar korta gammastrålningskurar, gammastrålningsteleskop spelar in dem ungefär en gång i veckan. Den korta gammastrålningen från en sammanslagning av neutronstjärnor varade enligt uppgift i 1,7 sekunder.
Om karaktären av långa gammastrålningskurar är mer förståelig (deras källor är supernovaexplosioner), så fanns det ingen konsensus om källorna till korta skurar. Det fanns en hypotes att de genereras av sammanslagningar av neutronstjärnor.
Nu har forskare kunnat bekräfta denna hypotes för första gången, för tack vare gravitationsvågor vet vi massan av de sammanslagna komponenterna, vilket bevisar att dessa är neutronstjärnor.
"Vi har misstänkt i årtionden att korta gammastrålar orsakar sammanslagningar av neutronstjärnor. Nu, tack vare LIGO- och Jungfrudatan om denna händelse, har vi ett svar. Gravitationsvågor berättar för oss att de sammanslagna objekten hade massor som motsvarar neutroner stjärnor, och gammastrålningen talar om för oss att dessa objekt knappast kan vara svarta hål, eftersom kollisionen av svarta hål inte borde generera strålning, säger Julie McEnery, Fermi Project Officer vid NASA:s Goddard Space Flight Center.
Källa till guld och platina
Dessutom har astronomer för första gången fått en entydig bekräftelse på förekomsten av kilon (eller "makron") flare, som är cirka 1 tusen gånger kraftfullare än vanliga nova flares. Teoretiker förutspådde att kilonovaer kunde produceras genom sammanslagning av neutronstjärnor eller en neutronstjärna och ett svart hål.
Detta startar processen för syntes av tunga grundämnen, baserad på infångning av neutroner av kärnor (r-process), som ett resultat av vilket många av de tunga grundämnena, såsom guld, platina eller uran, dök upp i universum.
Enligt forskare, med en explosion av en kilonova, kan en enorm mängd guld dyka upp - upp till tio massor av månen. Hittills har bara en gång en händelse observerats som kan vara en kilonovaexplosion.
Nu, för första gången, har astronomer kunnat observera inte bara födelsen av kilonova, utan också produkterna av dess "arbete". Spektra erhållna med Hubble- och VLT-teleskopen (Very Large Telescope) visade närvaron av cesium, tellur, guld, platina och andra tunga grundämnen som bildades under sammanslagning av neutronstjärnor.
Elva timmar efter kollisionen var temperaturen på kilonovan 8 000 grader och dess expansionshastighet nådde cirka 100 000 kilometer per sekund, noterar N + 1, med hänvisning till data från Sternberg State Astronomical Institute (GAISh).
ESO rapporterade att observationen nästan perfekt sammanföll med förutsägelsen av beteendet hos två neutronstjärnor under en sammanslagning.
"Än så länge överensstämmer de data vi har erhållit utmärkt med teorin. Detta är en triumf för teoretiker, en bekräftelse på den absoluta verkligheten av händelserna som registrerats av LIGO och VIrgo observatorier, och en anmärkningsvärd prestation av ESO, som lyckades uppnå sådana observationer av kilonovan”, säger Stefano Covino, första författare till en av artiklarna i Nature Astronomy.
Det var så astronomer såg kollisionen mellan neutronstjärnor
Forskare har ännu inte ett svar på frågan om vad som återstår efter sammanslagning av neutronstjärnor - det kan vara antingen ett svart hål eller en ny neutronstjärna, dessutom är det inte helt klart varför gammastrålningen visade sig vara vara relativt svag.
Den 16 oktober rapporterade astronomer att de den 17 augusti, för första gången i historien, registrerade gravitationsvågor från sammanslagning av två neutronstjärnor. 70 grupper av forskare var engagerade i observationer, och 4600 astronomer blev medförfattare till en av artiklarna som ägnades åt denna händelse - mer än en tredjedel av alla astronomer i världen. Webbplatsen N + 1 i en lång artikel förklarade varför detta är en viktig upptäckt och vilka frågor den kommer att hjälpa till att besvara.
Hur hände det?
Den 17 augusti 2017, klockan 15:41:04 Moskvatid, hörde detektorn från LIGO-observatoriet i Hanford (Washington) en rekordlång gravitationsvåg - signalen varade i ungefär hundra sekunder. Detta är en mycket lång tidsperiod - som jämförelse varade de tidigare fyra fixeringarna av gravitationsvågor inte längre än tre sekunder. Det automatiska meddelandeprogrammet har utlösts. Astronomer kontrollerade data: det visade sig att den andra LIGO-detektorn (i Louisiana) också upptäckte en våg, men den automatiska utlösaren fungerade inte på grund av kortvarigt brus.
1,7 sekunder senare än detektorn vid Hanford, oberoende av den, fungerade det automatiska systemet i Fermi- och Integral-teleskopen, rymd-gammastrålningsobservatorier som observerar några av de högsta energihändelserna i universum. Instrumenten upptäckte en stark blixt och bestämde ungefär dess koordinater. Till skillnad från gravitationssignalen varade blixten bara i två sekunder. Intressant nog märkte den rysk-europeiska "Integralen" gammastrålningen med "perifer vision" - "skyddande kristaller" av huvuddetektorn. Detta hindrade dock inte signaltriangulering.
Ungefär en timme senare skickade LIGO ut information om möjliga koordinater för gravitationsvågornas källa - det var möjligt att fastställa detta område på grund av att Jungfrudetektorn också märkte signalen. Från de förseningar med vilka detektorerna började ta emot en signal, blev det klart att källan troligen var på södra halvklotet: först nådde signalen Jungfrun och först därefter, efter 22 millisekunder, registrerades av LIGO-observatoriet. Det ursprungliga området som rekommenderas för sökning nådde 28 kvadratgrader, vilket motsvarar hundratals områden på månen.
Nästa steg var att kombinera data från gamma- och gravitationsobservatorier och söka efter en korrekt strålningskälla. Eftersom varken gammastrålningteleskop, eller ens gravitationella, gjorde det möjligt att hitta den önskade punkten med stor noggrannhet, inledde fysiker flera optiska sökningar på en gång. En av dem - med hjälp av robotsystemet av teleskop "MASTER", utvecklat i SAI vid Moscow State University.
Observation av kilonova European Southern ObservatoryEuropean Southern Observatory (ESO)
Bland de tusentals möjliga kandidaterna lyckades det chilenska meterlånga Swope-teleskopet upptäcka den önskade blossen – nästan 11 timmar efter gravitationsvågorna. Astronomer har registrerat en ny ljuspunkt i galaxen NGC 4993 i stjärnbilden Hydra, dess ljusstyrka översteg inte 17 magnituder. Ett sådant objekt är ganska tillgängligt för observation i semiprofessionella teleskop.
Inom ungefär en timme efter det, oberoende av Swope, hittade ytterligare fyra observatorier källan, inklusive det argentinska teleskopet i MASTER-nätverket. Därefter började en storskalig observationskampanj, som fick sällskap av teleskopen från det sydeuropeiska observatoriet, Hubble, Chandra, VLA-uppsättningen av radioteleskop och många andra instrument - totalt sett observerade mer än 70 grupper av forskare utvecklingen av händelser. Efter nio dagar lyckades astronomer få en bild i röntgenområdet och efter 16 dagar - i radiofrekvensen. Tyvärr närmade sig solen efter en tid galaxen och i september blev observationer omöjliga.
Vad orsakade explosionen?
En sådan karaktäristisk bild av en explosion i många elektromagnetiska områden förutspåddes och beskrevs för länge sedan. Det motsvarar kollisionen mellan två neutronstjärnor - ultrakompakta föremål som består av neutronmateria.
Enligt forskare var massan av neutronstjärnor 1,1 och 1,6 solmassor (den totala massan bestäms relativt noggrant - cirka 2,7 solmassor). De första gravitationsvågorna uppstod när avståndet mellan föremål var 300 kilometer.
Den stora överraskningen var det korta avståndet från detta system till jorden - cirka 130 miljoner ljusår. Som jämförelse är detta bara 50 gånger längre än från jorden till Andromeda-nebulosan, och nästan en storleksordning mindre än avståndet från vår planet till svarta hål, vars kollision tidigare registrerades av LIGO och Jungfrun. Dessutom blev kollisionen den närmaste källan till en kort gammastrålning till jorden.
Dubbla neutronstjärnor har varit kända sedan 1974 - ett av dessa system upptäcktes av Nobelpristagarna Russell Hulse och Joseph Taylor. Men fram till nu har alla kända binära neutronstjärnor funnits i vår galax, och stabiliteten i deras banor har varit tillräcklig för att de inte ska kollidera under de kommande miljoner åren. Det nya paret stjärnor närmade sig så mycket att interaktion började och processen för materieöverföring började utvecklas
Kollision av två neutronstjärnor. Nasa animation
Händelsen kallas kilonova. Bokstavligen betyder detta att blixtens ljusstyrka var ungefär tusen gånger kraftigare än typiska blixtar från nya stjärnor - binära system där en kompakt följeslagare drar materia till sig.
Vad betyder allt detta?
Hela utbudet av data som samlas in gör det redan möjligt för forskare att kalla händelsen en hörnsten i framtida gravitationsvågastronomi. Enligt resultaten av databehandling under två månader skrevs cirka 30 artiklar i stora tidskrifter: sju i Natur och Vetenskap, samt arbeta i Astrofysiska tidskriftsbrev och andra vetenskapliga publikationer. Medförfattarna till en av dessa artiklar är 4600 astronomer från olika samarbeten – det är mer än en tredjedel av alla astronomer i världen.
Här är nyckelfrågorna som forskare verkligen har kunnat svara på för första gången.
Vad utlöser korta gammastrålar?
Gammastrålningskurar är ett av de mest energiska fenomenen i universum. Kraften hos en sådan skur är tillräcklig för att skjuta ut lika mycket energi i det omgivande rymden på några sekunder som solen genererar på 10 miljoner år. Det finns korta och långa gammastrålningskurar; samtidigt tror man att detta är fenomen som är olika i sin mekanism. Till exempel anses kollapsen av massiva stjärnor vara källan till långa skurar.
Källorna till korta gammastrålningskurar är förmodligen sammanslagningar av neutronstjärnor. Det har dock inte kommit någon direkt bekräftelse på detta än så länge. De nya observationerna är de starkaste bevisen hittills för existensen av denna mekanism.
Var i universum kommer guld och andra tunga grundämnen ifrån?
Nukleosyntes - fusionen av kärnor i stjärnor - gör att du kan få ett stort utbud av kemiska element. För lätta kärnor fortgår fusionsreaktioner med frigöring av energi och är i allmänhet energimässigt gynnsamma. För grundämnen vars massa är nära massan av järn är energivinsten inte längre så stor. På grund av detta bildas element som är tyngre än järn nästan aldrig i stjärnor - undantagen är supernovaexplosioner. Men de är helt otillräckliga för att förklara överflödet av guld, lantanider, uran och andra tunga grundämnen i universum.
1989 föreslog fysiker att r-nukleosyntes i sammanslagningar av neutronstjärnor kan vara ansvarig. Du kan läsa mer om detta i astrofysikern Marat Musins blogg. Fram till idag var denna process endast känd i teorin.
Spektralstudier av den nya händelsen visade tydliga spår av födelsen av tunga element. Så, tack vare spektrometrarna från Very Large Telescope (VLT) och Hubble, har astronomer upptäckt närvaron av cesium, tellur, guld och platina. Det finns också bevis på bildandet av xenon, jod och antimon. Fysiker uppskattar att kollisionen kastade ut en total massa av lätta och tunga grundämnen motsvarande 40 Jupitermassor. Bara guld bildar, enligt teoretiska modeller, cirka 10 månmassor.
Vad är Hubble-konstanten?
Det är möjligt att experimentellt uppskatta universums expansionshastighet med hjälp av speciella "standardljus". Detta är objekt för vilka den absoluta ljusstyrkan är känd, vilket innebär att man genom förhållandet mellan den absoluta och skenbara ljusstyrkan kan dra slutsatsen hur långt de är. Expansionshastigheten på ett givet avstånd från observatören bestäms från dopplerförskjutningen av till exempel väteledningar. Rollen som "standardljus" spelas till exempel av supernovor av typ Ia ("explosioner" av vita dvärgar) - förresten, det var på deras prov som universums expansion bevisades.
Observation av sammanslagning av två neutronstjärnor från teleskopet vid Paranal Observatory (Chile) European Southern Observatory (ESO)
Hubble-konstanten specificerar ett linjärt beroende av universums expansionshastighet vid ett givet avstånd. Varje oberoende definition av dess värde tillåter oss att verifiera giltigheten av den accepterade kosmologin.
Källorna till gravitationsvågor är också "standardljus" (eller, som de kallas i artikeln, "sirener"). Genom arten av gravitationsvågorna som de skapar kan du självständigt bestämma avståndet till dem. Detta är precis vad astronomer använde i ett av de nya verken. Resultatet sammanföll med andra oberoende mätningar - baserade på kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning och observationer av gravitationslinsförsedda föremål. Konstanten är ungefär lika med 62–82 kilometer per sekund per megaparsek. Det betyder att två galaxer 3,2 miljoner ljusår bort i genomsnitt rör sig isär med en hastighet av 70 kilometer per sekund. Nya sammanslagningar av neutronstjärnor kommer att bidra till att öka noggrannheten i denna uppskattning.
Hur är gravitationen ordnad?
Den allmänna relativitetsteorin som är allmänt accepterad idag förutsäger noggrant beteendet hos gravitationsvågor. Emellertid har kvantteorin om gravitation ännu inte utvecklats. Det finns flera hypoteser om hur det kan ordnas – det är teoretiska konstruktioner med ett stort antal okända parametrar. Samtidig observation av elektromagnetisk strålning och gravitationsvågor kommer att göra det möjligt att klargöra och begränsa gränserna för dessa parametrar, samt att förkasta vissa hypoteser.
Till exempel bekräftar det faktum att gravitationsvågor anlände 1,7 sekunder före gammastrålar att de verkligen färdas med ljusets hastighet. Dessutom kan värdet på själva fördröjningen användas för att testa den likvärdighetsprincip som ligger till grund för den allmänna relativitetsteorien.
Hur är neutronstjärnor ordnade?
Vi känner till strukturen hos neutronstjärnor endast i allmänna termer. De har en kärna av tunga grundämnen och en neutronkärna - men vi känner till exempel fortfarande inte till tillståndsekvationen för neutronmateria i kärnan. Och på detta beror till exempel svaret på en så enkel fråga: vad exakt bildades under kollisionen som astronomer observerade?
Visualisering av gravitationsvågor från sammanslagning av två neutronstjärnor
Liksom vita dvärgar har neutronstjärnor idén om en kritisk massa, bortom vilken kollaps kan börja. Beroende på om massan av det nya objektet har överskridit den kritiska massan eller inte, finns det flera scenarier för vidareutveckling av händelser. Om den totala massan är för stor kommer föremålet omedelbart att kollapsa i ett svart hål. Om massan är något mindre kan det uppstå en snabbt roterande neutronstjärna som inte är i jämvikt, som dock också kollapsar till ett svart hål med tiden. Ett alternativt alternativ är bildandet av en magnetar, ett snabbt roterande neutronhål med ett enormt magnetfält. Tydligen bildades inte magnetaren vid kollisionen - den medföljande hårda röntgenstrålningen registrerades inte.
Enligt Vladimir Lipunov, chefen för MASTER-nätverket, räcker inte den information som finns tillgänglig för närvarande för att ta reda på exakt vad som bildades som ett resultat av sammanslagningen. Astronomer har dock redan ett antal teorier som kommer att publiceras under de kommande dagarna. Det är möjligt att framtida sammanslagningar av neutronstjärnor kommer att kunna bestämma den nödvändiga kritiska massan.
Vladimir Korolev N+1
