Слияние 2 нейтронных звезд. Впервые зафиксированы гравитационные волны от столкновения нейтронных звезд

Гравитационные волны, возникшие во время слияния двух нейтронных звезд. Событие получило обозначение GW170817. Последовавшие за слиянием гамма-всплеск и вспышку килоновой наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий, начиная от ESO и заканчивая Hubble. В режиме реального времени астрономы увидели предсказанный теоретиками процесс синтеза тяжелых элементов, в том числе золота и платины, и подтвердить правоту гипотез о природе загадочных коротких гамма-всплесков. Также было установлено примерно место слияния нейтронных звезд. Оно находится в галактике NGC 4993, удаленной от нас на 130 млн св. л.


В то время, как большинство ученых сосредоточило свои дальнейшие усилии на изучении непосредственных продуктов слияния, группа американских астрофизиков попыталась ответить на вопрос, какой объект образовался в результате космического ДТП. Для этого они воспользовались помощью телескопа Chandra. Проанализировав данные о рентгеновском излучении GW170817, исследователи пришли к выводу , что они соответствуют черной дыре звездной массы.

Также на днях в журнале Nature были опубликованы результаты другого исследования , посвященного GW170817. Ученые пытались найти ответ на вопрос, чем были вызваны некоторые странности вспышки. Скажем, большая часть исследователей предполагала, что слияние нейтронных звезд должны приводить к формированию миниатюрных гамма-вспышек — но этого не наблюдалось.

Данные радиотелескопов указали на причину этой и других аномалий. Остаток нейтронных звезд окружает плотный кокон из раскаленного газа, с которым столкнулись пучки плазмы, выброшенные во время слияния этих объектов. Это столкновение «взболтало» газ, разогнало его до примерно 30-50% скорости света, заставив светиться. Существование горячего газового кокона хорошо объясняет многие особенности слияния. Например, в какой последовательности будут наблюдаться последствия вспышки в разных диапазонах электромагнитного спектра, а также то, что этот объект будет становиться все более ярким в радиоволнах.

Коллаборация LIGO-Virgo вместе с астрономами из 70 обсерваторий объявила сегодня о наблюдении слияния двух нейтронных звезд в гравитационном и электромагнитном диапазонах: увидели гамма-всплеск, а также рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и радио излучение.

Иллюстрация столкновения нейтронных звезд. Узкий выброс по диагонали - поток гамма-лучей. Светящееся облако вокруг звезд - источник видимого света, который наблюдали телескопы после слияния. Credit: NSF/LIGO/Sonoma State University/Aurore Simonnet

Совместное наблюдение гамма-всплеска, гравитационных волн и видимого света позволили определить не только область на небе, где произошло событие, но и галактику NGC 4993, к которой звезды принадлежали.

Определение расположения на небе разными детекторами

Что мы можем сказать о нейтронных звездах?

Когда нейтронные звезды сталкиваются, основная часть их вещества сливается в один сверхмассивных объект, излучая “огненный шар” из гамма излучения (тот самые короткий гамма-всплеск, зарегистрированный через две секунды после гравитационных волн). После этого возникает так называемая килонова , когда вещество, оставшееся после столкновения нейтронных звезд уносится от места столкновения, излучая свет. Наблюдение за спектром этого излучения позволило определить, что тяжелые элементы, такие как золото, рождаются именно в результате килоновых. Ученые наблюдали после-свечение на протяжении недель после события, собирая данные о процессах, происходивших в звездах, и это явилось первым достоверным наблюдением килоновой.

Нейтронные звезды - это сверхплотные объекты, образующиеся после взрыва сверхновой. Давление в звезде столь высоко, что отдельны атомы не могут существовать, и внутри звезды находится жидкий «суп» из нейтронов, протонов и других частиц. Чтобы описать нейтронную звезду, ученые используют уравнение состояния, связывающее давление и плотность вещества. Существует множество вариантов возможных уравнений состояний, но ученые не знают, какие из них правильные, поэтому гравитационные наблюдения могут помочь разрешить этот вопрос. На данный момент наблюденный сигнал не дает однозначного ответа, но помогают дать интересные оценки на форму звезды (которая зависит от гравитационного притяжения ко второй звезде).

Интересным открытием оказалось, что наблюдавшийся короткий гамма-всплеск является самым близким к Земле, но в то же время слишком тусклым для такого расстояния. Ученые предположили несколько возможных объяснений: возможно, луч гамма-излучения был неравномерной яркости, или мы увидели только самый его край. В любом случае возникает вопрос: ранее астрономы не предполагали, что такие тусклые всплески могут быть расположены так близко, и могли ли они тогда пропустить такие же тусклые всплески, или же неправильно интерпретировать их как более далекие? Совместные наблюдения в гравитационном и электромагнитном диапазоне могут помочь дать ответ, но на данном уровне чувствительности детекторов такие наблюдения будут достаточно редкими - в среднем 0.1-1.4 в год.

Кроме гравитационного и электромагнитного излучения, нейтронные звезды излучают потоки нейтрино в процессе слияния. Детекторы нейтрино также работали над поиском этих потоков от события, но не зафиксировали ничего. В целом, этот результат был ожидаем - как и в случае гамма-всплеска, событие слишком тусклое (или мы наблюдаем его под большим углом), чтобы детекторы могли его увидеть.

Скорость гравитационных волн

Для нижней оценки можно использовать и большую задержку между излучением, и даже предположить, что сначала был испущен световой сигнал, что понизит точность пропорционально. Но даже в этом случае оценка получается чрезвычайно точной.

Используя те же знания о задержке между сигналами можно значительно повысить точность оценок на лоренц-инвариантность (разности между поведением гравитации и света при преобразовании Лоренца) и принцип эквивалентности .

Ученые измерили постоянную Хаббла и другим образом - по наблюдению параметров реликтового излучения на телескопе Планк , и получили другое значение постоянной Хаббла, не согласующееся с измерениями SHoES. Это различие слишком велико, чтобы быть статистическим, но пока не известны причины расхождений оценок. Поэтому необходимо независимое измерение.

Распределение вероятности для постоянной Хаббла с использованием гравитационных волн (синий). Пунктиром обозначены интервалы 1σ и 2σ (68.3% и 95.4%). Для сравнения показаны интервалы 1σ и 2σ для предыдущих оценок: Планк (зеленый) и SHoES (оранжевый), которые не сходятся друг с другом.

Гравитационные волны в данном случае играют роль стандартных свечей (и называются стандартными сиренами). Наблюдая амплитуду сигнала на Земле и моделируя его амплитуду в источнике, можно оценить, насколько она уменьшилась, и узнать тем самым расстояние до источника - независимо от любых предположений на постоянную Хаббла или предыдущие измерения. Наблюдение светового сигнала позволило определить галактику, где располагалась пара нейтронных звезд, а скорость удаления этой галактики была хорошо известна по предыдущим измерениям. Отношение между скоростью и расстоянием и является постоянной Хаббла. Важно, что такая оценка совершенно независима от предыдущих оценок или космической шкалы расстояний.

Одного измерения оказалось недостаточно, чтобы разрешить загадку различия в оценках Планка и SHoES, но в целом оценка уже хорошо соответствует известным значениям. Учитывая, что предыдущие оценки основываются на статистике, собранной на протяжении многих лет, это очень значительный результат.

Немного о LIGO и глитчах

Только один из детекторов LIGO увидел сигнал в автоматическом режиме, поскольку на детекторе в Ливингстоне в момент события произошел «глитч». Этим термином называют всплеск шума, похожий на хлопок статики в радиоприемнике. Хотя гравитационно волновой сигнал был очевидно заметен человеческому глазу, автоматика отсекает подобные данные. Поэтому понадобилась очистка сигнала от глитча, прежде чем данные могли быть использованы детектором. Глитчи появляются в детекторах все время - примерно раз в несколько часов. Ученые классифицируют их по форме и длительности и используют эти знания для улучшения детекторов. Вы можете помочь им в этом в проекте GravitySpy , где пользователи ищут и классифицируют глитчи в данных LIGO, чтобы помочь ученым.

Вопросы без ответов

Мы зарегистрировали гравитационные волны от двух компактных объектов, и наблюдение электромагнитного излучения говорит о том, что один из них был нейтронной звездой. Но второй мог быть и черной дырой малой массы, и хотя ранее таких черных дыр никто не видел, теоретически они могут существовать. Из наблюдения GW170817 нельзя определить точно, было ли это столкновение двух нейтронных звезд, хотя это и более вероятно.

Второй любопытный момент: а чем стал этот объект после слияния? Он мог стать либо сверхмассивной нейтронной звездой (самой массивной из известных) или самой легкой из известных черных дыр. К сожалению, данных наблюдения недостаточно, чтобы ответить на этот вопрос.

Заключение

Это открытие еще раз показывает, насколько в современной физике важна совместная работа многих коллабораций из тысяч людей.

Reddit AMA

До того как мы наблюдали это событие, у нас было два способа оценки частоты слияний нейтронных дыр: измерения двойных нейтронных звезд в нашей галактике (как от пульсаров) и наши теоретические модели образования звезд, сверхновых и их останков. Все это дает нам оценку - порядка 100 таких слияний происходит ежегодно в пределах кубического гигапарсека космоса.

Наблюдение нового события обеспечило нам первую наблюдаемую оценку частоты сияний, и она в десять раз больше ожидаемого. Мы думали, что нам понадобится LIGO, достигшая предела чувствительность (сейчас она на полпути), чтобы увидеть хоть что-то, а затем еще и три дополнительных детектора для точного определения места. А нам удалось не только рано увидеть его, но и локализовать с первой же попытки. Итак, вопрос: нам просто повезло увидеть это событие или же частота таковых действительно намного выше, чем мы думали? Если выше, в чем тогда ошибочны наши теоретические модели? В следующем году LIGO уйдет на модернизацию, и у теоретиков будет немного времени пораскинуть мозгами.

Что заставляет вещество выбрасываться в процессе слияния в таком количестве?

Наши лучшие теоретические модели предсказывали, что слияния звезд вроде этого будет сопровождаться ярким световым сигналом в ультрафиолетовой и оптической частях спектра в течение дня, а затем будет тускнеть и исчезать. Но вместо этого сияние продержалось два дня, прежде чем начало тускнеть, и у нас, конечно, появились вопросы. Яркое свечение, которое продержалось так долго, свидетельствует о том, что ветра в диске вокруг звезд выбросили 30-40 масс Юпитера в виде вещества. По нашим данным, вещества должно было быть меньше вдвое или даже в восемь раз.

Что же такого необычного в этих выбросах? Чтобы смоделировать такое слияние, нужно включить много разной физики:

• гидродинамику
• магнитные поля
• уравнение состояния материи при ядерных плотностях
• взаимодействия с нейтрино

…и многое другое. Различные коды моделируют эти компоненты с разными уровнями сложности, и мы не знаем наверняка, какой из компонентов несет ответственность за эти ветры и выбросы. Найти нужный - проблема для теоретиков, и нам приходится мириться с тем, что мы впервые измерили слияние нейтронных звезд… и получили сюрприз.

В последние моменты слияния две нейтронных звезды не только испускают , но и катастрофический взрыв, который эхом прокатывается по всему электромагнитному спектру. И если продуктом будет нейтронная звезда, черная дыра или нечто экзотическое среднее, переходное состояние нам пока неизвестно

Произвело ли это слияние сверхмассивную нейтронную звезду?

Чтобы получить достаточно потерянной массы от слияния нейтронных звезд, нужно, чтобы продукт этого слияния сгенерировал достаточно энергии соответствующего типа, чтобы сдуть эту массу с окружающего звезды диска. Основываясь на наблюдаемом гравитационно-волновом сигнале, мы можем сказать, что это слияние создало объект массой 2,74 солнечных, что значительно превышает максимум солнечной массы, который может быть у невращающейся нейтронной звезды. То есть, если ядерная материя ведет себя так, как от нее ожидаем, слияние двух нейтронных звезд должно было привести к появлению черной дыры.

Нейтронная звезда - одно из самых плотных собраний вещества во Вселенной, однако у ее массы есть верхний предел. Превысьте его - и нейтронная звезда снова коллапсирует с образованием черной дыры

Если бы ядро этого объекта после слияния немедленно сжалось до черной дыры, никакого выброса бы не было. Если бы вместо этого оно стало сверхмассивной нейтронной звездой, то должно было бы вращаться чрезвычайно быстро, поскольку большой угловой момент увеличил бы максимальный предел массы на 10-15%. Проблема в том, что если бы мы получили так быстро вращающуюся сверхмассивную нейтронную звезду, она должна была бы стать магнетаром с чрезвычайно мощным магнитным полем, в квадриллион раз более мощным, чем поля на поверхности Земли. Но магнетары быстро перестают вращаться и должны коллапсировать в черную дыру через 50 миллисекунд; наши же наблюдения за магнитными полями, вязкостью и нагревом, которые выбросили массу, показывают, что объект существовал сотни миллисекунд.

Что-то здесь не так. Либо у нас быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая по какой-то причине не является магнетаром, либо у нас будут выбросы на сотни миллисекунд, и наша физика не дает нам ответ. При этом, пусть даже ненадолго, скорее всего, у нас была сверхмассивная нейтронная звезда, а за ней и черная дыра. Если оба варианта верны, мы имеем дело с самой массивной нейтронной звездой и самой маломассивной черной дырой за всю историю наблюдений!

Если эти нейтронные звезды были бы более массивными, было бы слияние невидимым?

Существует предел тому, насколько массивными могут быть нейтронные звезды, и если добавлять и добавлять массы, получится аккурат черная дыра. Этот предел в 2,5 солнечных масс для невращающихся нейтронных звезд означает, что если общая масса слияния будет ниже, вы почти наверняка останетесь с нейтронной звездой после слияния, что приведет к сильным и долгим ультрафиолетовым и оптическим сигналам, которые мы видели в данном случае. С другой стороны, если подняться выше 2,9 солнечных масс, сразу после слияния сформируется черная дыра, вполне вероятно - без ультрафиолетовых и оптических сопровождений.

Так или иначе, наше самое первое слияние нейтронных звезд оказалось именно в середине этого диапазона, когда может появиться сверхмассивная нейтронная звезда, создающая выбросы и оптические и ультрафиолетовые сигналы на протяжении короткого времени. Образуются ли магнетары при менее массивных слияниях? А более массивные - сразу приходят к черным дырам и остаются невидимыми на этих длинах волн? Насколько редкие или распространенные три этих категории слияния: обычные нейтронные звезды, сверхмассивные нейтронные звезды и черные дыры? Через год LIGO и Virgo займутся поисками ответов на эти вопросы, а у теоретиков будет как раз год, чтобы привести свои модели в соответствие с прогнозами.

Что приводит к тому, что гамма-лучевые всплески такие яркие во многих направлениях, а не в конусе?

Этот вопрос весьма сложный. С одной стороны, открытие подтвердило то, что давно подозревали, но никак не могли доказать: что сливающиеся нейтронные звезды действительно производят гамма-лучевые всплески. Но мы всегда считали, что гамма-лучевые всплески испускают гамма-лучи только в узкой конусообразной форме, 10-15 градусов в диаметре. Теперь же мы знаем, из положения слияния и величины гравитационных волн, что гамма-лучевые всплески уходят на 30 градусов от нашей линии визирования, но мы при этом наблюдаем мощный гамма-лучевой сигнал.

Природа гамма-лучевых всплесков должна измениться. Задача теоретиков состоит в том, чтобы объяснить, почему физика этих объектов настолько отличается от предсказанной нашими моделями.

Отдельной строкой: насколько непрозрачны/прозрачны тяжелые элементы?

Когда дело доходит до самых тяжелых элементов в периодической таблице, мы знаем, что они произведены по большей части не сверхновыми, а именно слияниями черных дыр. Но чтобы получить спектры тяжелых элементов с расстояния в 100 миллионов световых лет, нужно понимать их прозрачность. Сюда входит понимание атомных физических переходов электронов на орбиталях атома в астрономической обстановке. Впервые у нас есть среда для проверки того, как астрономия пересекается с атомной физикой, и последующие наблюдения слияний должны позволить нам ответить на вопрос о непрозрачности и прозрачности в том числе.

Вполне возможно, что слияние нейтронных звезд происходит постоянно, а когда LIGO достигнет запланированного уровня чувствительности, мы будем находить десятки слияний в год. Также возможно, что это событие было крайне редким и нам повезет видеть лишь по одному за год даже после обновления установок. Следующие десять лет физики-теоретики потратят на поиск ответов на выше описанные вопросы.

Будущее астрономии лежит перед нами. Гравитационные волны - это новый, совершенно независимый способ исследования неба, и сопоставляя небо с гравитационными волнами с традиционными астрономическими картами, мы готовы ответить на вопросы, которые не осмеливались задать еще неделю назад.

Вчера на пресс-конференции в Вашингтоне учёные официально объявили о регистрации астрономического события, которое никто не регистрировал раньше - слияния двух нейтронных звёзд. По результатам наблюдения было опубликовано более 30 научных статей в пяти журналах, поэтому рассказать сразу обо всём мы не можем. Вот краткое изложение и самые главные открытия.
Астрономы наблюдали слияние двух нейтронных звёзд и рождение новой чёрной дыры. Нейтронные звёзды - объекты, которые появляются в результате взрывов больших и массивных (в несколько раз тяжелее Солнца) звёзд. Их размеры невелики (в диаметре они обычно не больше 20 километров), зато плотность и масса огромны. В результате слияния двух нейтронных звёзд в 130 миллионах световых лет от Земли образовалась черная дыра - объект еще более массивный и плотный, чем нейтронная звезда. Слияние звёзд и образование чёрной дыры сопровождалось выделением огромной энергии в форме гравитационного, гамма- и оптического излучения. Все три вида излучения зафиксировали земные и орбитальные телескопы. Гравитационную волну зарегистрировали обсерватории LIGO и VIRGO.
Эта гравитационная волна была самой высокоэнергетической из всех, наблюдавшихся до сих пор. Все виды излучения дошли до Земли 17 августа. Сначала наземные лазерные интерферометры LIGO и Virgo зарегистрировали периодическое сжатие и расширение пространства-времени - гравитационную волну, несколько раз обогнувшую земной шар. Событие, породившее гравиволну, получило название GRB170817A. Через несколько секунд гамма-телескоп NASA «Ферми» зарегистрировал фотоны высокой энергии в гамма-диапазоне. А дальше началось нечто: получив предупреждение коллаборации LIGO/Virgo, астрономы по всей Земле настроили свои телескопы на координаты источника излучения. В этот день в одну точку пространства смотрели большие и маленькие, наземные и орбитальные телескопы, работающие во всех диапазонах. По результатам наблюдений в Калифорнийском университете (Беркли) сделали компьютерную симуляцию слияния нейтронных звёзд. Обе звезды были, по всей видимости, массой немногим больше Солнца (но при этом гораздо меньшего радиуса). Эти два шара невероятной плотности кружились друг вокруг друга, постоянно ускоряясь. Вот как это было: В результате слияния нейтронных звёзд в космическое пространство попали атомы тяжёлых элементов - золота, урана, платины; астрономы полагают, что такие события - это главный источник этих элементов во Вселенной. Оптические телескопы сначала «увидели» синий видимый свет, а затем ультрафиолетовое излучение, которое сменилось красным светом и излучением в инфракрасном диапазоне.
Эта последовательность совпадает с теоретическими предсказаниями. Согласно теории, сталкиваясь, нейтронные звёзды теряют часть вещества - оно распыляется вокруг места столкновения огромным облаком нейтронов и протонов. Когда начинает формироваться черная дыра, вокруг нее образуется аккреционный диск, в котором частицы вращаются с огромной скоростью - настолько огромной, что некоторые преодолевают притяжение чёрной дыры и разлетаются прочь. Такая судьба ожидает примерно 2% вещества столкнувшихся звёзд. Это вещество образует вокруг чёрной дыры облако диаметром в десятки тысяч километров и плотностью, примерно равной плотности Солнца. Протоны и нейтроны, из которых состояит это облако, слипаются, образуя атомные ядра. Затем начинается распад этих ядер. Излучение распадающихся ядер земные астрономы наблюдали в течение нескольких дней. За миллионы лет, прошедшие со времени события GRB170817A, это излучение наполнило всю галактику.