Астрономы впервые услышали гравитационные волны от слияния нейтронных звезд

Ученые впервые в истории зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд — сверхплотных объектов массой с наше Солнце и размером с Москву. Возникшие затем гамма-всплеск и вспышку килоновой наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий — они смогли увидеть предсказанный теоретиками процесс синтеза тяжелых элементов, в том числе золота и платины, и подтвердить правоту гипотез о природе загадочных коротких гамма-всплесков, сообщают пресс-служба коллаборации LIGO/Virgo, Европейской Южной обсерватории и обсерватории Лос-Кумбрес. Результаты наблюдений могут пролить свет на загадку строения нейтронных звезд и образование тяжелых элементов во Вселенной.

Утром 17 августа 2017 года (в 8:41 по времени Восточного побережья США, когда в Москве было 15:41) автоматические системы на одном из двух детекторов гравитационно-волновой обсерватории LIGO зарегистрировали приход гравитационной волны из космоса. Сигнал получил обозначение GW170817, это был уже пятый случай фиксации гравитационных волн с 2015 года, с момента, когда они были впервые зарегистрированы. Всего за три дня до этого обсерватория LIGO впервые «услышала» гравитационную волну вместе с европейским проектом Virgo.

Однако в этот раз уже через две секунды после гравитационного события космический телескоп Fermi зафиксировал вспышку гамма-излучения на южном небе. Почти в этот же момент вспышку увидела европейско-российская космическая обсерватория INTEGRAL.

Автоматические системы анализа данных обсерватории LIGO пришли к выводу, что случайное совпадение этих двух событий крайне маловероятно. В ходе поиска дополнительной информации было обнаружено, что гравитационную волну увидел и второй детектор LIGO, но не зафиксировала европейская гравитационная обсерватория Virgo. Астрономы всего мира были подняты «по тревоге» — охоту на источник гравитационных волн и гамма-всплеска начали множество обсерваторий, в том числе Европейская Южная обсерватория и космический телескоп Hubble.

Задача была непростой — комбинированные данные LIGO/Virgo, Fermi и INTEGRAL позволили очертить область площадью в 35 квадратных градусов — это примерная площадь нескольких сотен лунных дисков. Только через 11 часов небольшой телескоп Swope с метровым зеркалом, находящейся в Чили, сделал первый снимок предполагаемого источника — он выглядел как очень яркая звезда рядом с эллиптической галактикой NGC 4993 в созвездии Гидры. В течение последующих пяти дней яркость источника упала в 20 раз, а цвет постепенно смещался от синего к красному. Все это время за объектом наблюдали множество телескопов в диапазонах от рентгеновского до инфракрасного, пока в сентябре галактика не оказалась слишком близко к Солнцу, и стала недоступна для наблюдений.

Ученые пришли к выводу, что источник вспышки находился в галактике NGC 4993 на расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли. Это невероятно близко, до сих пор гравитационные волны приходили к нам с расстояний в миллиарды световых лет. Благодаря этой близости мы и смогли их услышать. Источником волны было слияние двух объектов с массами в диапазоне от 1,1 до 1,6 масс Солнца — это могли быть только нейтронные звезды.

Сам всплеск «звучал» очень долго — около 100 секунд, слияния черных дыр давали всплески длительностью в доли секунды. Пара нейтронных звезд вращалась вокруг общего центра масс, постепенно теряя энергию в виде гравитационных волн и сближаясь. Когда расстояние между ними сократилось до 300 километров, гравитационные волны стали достаточно мощными, чтобы попасть в зону чувствительности гравитационных детекторов LIGO/Virgo. В момент слияния двух нейтронных звезд в один компактный объект (нейтронную звезду или черную дыру) происходит мощная вспышка гамма-излучения.

Такие гамма-вспышки астрономы называют короткими гамма-всплесками, гамма-телескопы фиксируют их примерно раз в неделю. Если природа длинных гамма-всплесков более понятна (их источники — вспышки сверхновых), то единства мнений насчет источников коротких всплесков не было. Существовала гипотеза, что их порождают слияния нейтронных звезд.

Теперь ученые смогли впервые подтвердить эту гипотезу, поскольку благодаря гравитационным волнам мы знаем массу слившихся компонентов, что доказывает что это именно нейтронные звезды.

«Десятилетия мы подозревали, что короткие гамма-всплески порождают слияния нейтронных звезд. Теперь, благодаря данным LIGO и Virgo об этом событии у нас есть ответ. Гравитационные волны говорят нам, что слившиеся объекты имели массы, соответствующие нейтронным звездам, а гамма-вспышка говорит, что эти объекты вряд ли могли быть черными дырами, поскольку столкновение черных дыр не должно порождать излучение», — говорит Джули МакЭнери, сотрудник проекта Fermi Центра космических полетов NASA имени Годдарда.

Кроме того, астрономы впервые получили однозначное подтверждение существования килоновых (или «макроновых») вспышек, которые примерно в 1000 раз мощнее вспышек обычных новых. Теоретики предсказывали, что килоновые могут возникать при слиянии нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.

При этом запускается процесс синтеза тяжелых элементов, основанный на захвате ядрами нейтронов (r-процесс), в результате которого во Вселенной появились многие из тяжелых элементов, таких как золото, платина или уран.

По подсчетам ученых, при одном взрыве килоновой может возникнуть огромное количество золота — до десяти масс Луны. До сих пор лишь единожды наблюдалось событие, которое могло быть взрывом килоновой.

Теперь же астрономы смогли впервые наблюдать не только рождение килоновой, но и продукты ее «работы». Спектры, полученные при помощи телескопов Hubble и VLT (Very Large Telescope), показали наличие цезия, теллура, золота, платины и других тяжелых элементов, образованных при слиянии нейтронных звезд.

«Пока данные, которые мы получили, великолепно согласуются с теорией. Это триумф теоретиков, подтверждение абсолютной реальности событий, зарегистрированных обсерваториями LIGO и Virgo, и замечательное достижение ESO, которой удалось получить такие наблюдения килоновой», — говорит Стефано Ковино (Stefano Covino), первый автор одной из статей в Nature Astronomy.

У ученых пока нет ответа на вопрос о том, что осталось после слияния нейтронных звезд — это может быть как черная дыра, так и новая нейтронная звезда, кроме того, не вполне ясно, почему гамма-всплеск оказался относительно слабым.

Гравитационные волны — волны колебаний геометрии пространства-времени, существование которых было предсказано общей теорией относительности. Впервые об их достоверном обнаружении коллаборация LIGO сообщила в феврале 2016 года — спустя 100 лет после предсказаний Эйнштейна. Подробнее о том, что такое гравитационные волны и как они могут помочь исследовать Вселенную можно прочитать в наших специальных материалах — «На гребне метрического тензора» и «За волной волна».

Александр Войтюк