Gwiazdy neutronowe łączące fale grawitacyjne. Po raz pierwszy wykryto fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych

Prawa autorskie do ilustracji Obrazy Getty’ego Podpis obrazu Zjawisko obserwowano za pomocą obserwatoriów kosmicznych i teleskopów naziemnych

Naukowcom po raz pierwszy udało się wykryć fale grawitacyjne powstające w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych.

Fale zarejestrowały detektory LIGO w USA oraz włoskie Obserwatorium Virgo.

Według badaczy w wyniku takich fuzji we Wszechświecie pojawiają się takie pierwiastki jak platyna i złoto.

Odkrycia dokonano 17 sierpnia. Dwa detektory w USA wykryły sygnał grawitacyjny GW170817.

Dane z trzeciego detektora we Włoszech pozwoliły na wyjaśnienie lokalizacji kosmicznego zdarzenia.

„To jest to, na co wszyscy czekaliśmy” – powiedział dyrektor wykonawczy laboratorium LIGO David Reitze, komentując odkrycie.

Połączenie nastąpiło w galaktyce NGC4993, która znajduje się około 130 milionów lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Hydry.

Masy gwiazd wahały się od 1,1 do 1,6 mas Słońca, co mieści się w zakresie mas gwiazd neutronowych. Ich promień wynosi 10-20 km.

Gwiazdy nazywane są gwiazdami neutronowymi, ponieważ w procesie kompresji grawitacyjnej protony i elektrony wewnątrz gwiazdy łączą się, tworząc obiekt składający się prawie wyłącznie z neutronów.

Takie obiekty mają niesamowitą gęstość – łyżeczka materii ważyłaby około miliarda ton.

Prawa autorskie do ilustracji UNIWERSYTET STANOWY NSF/LIGO/SONOMA Podpis obrazu Połączenie gwiazd neutronowych w umysłach naukowców wygląda mniej więcej tak (na zdjęciu model komputerowy)

Laboratorium LIGO w Livingston w stanie Luizjana to niewielki budynek, z którego pod kątem prostym wychodzą dwie rury – ramiona interferometru. Wewnątrz każdego z nich znajduje się wiązka laserowa rejestrująca zmiany długości fal grawitacyjnych.

Detektor LIGO, umieszczony pośrodku rozległych lasów, został zaprojektowany do wykrywania fal grawitacyjnych, które generują kosmiczne kataklizmy na dużą skalę, takie jak łączenie się gwiazd neutronowych.

Detektor został zmodernizowany cztery lata temu i od tego czasu czterokrotnie wykrył zderzenia czarnych dziur.

Fale grawitacyjne powstające w wyniku wydarzeń w przestrzeni kosmicznej na dużą skalę prowadzą do powstawania zniekształceń czasowo-przestrzennych, przypominających nieco zmarszczki na wodzie.

Odtwarzanie multimediów nie jest obsługiwane na Twoim urządzeniu

Odkrycie roku: jak brzmi zderzenie gwiazdy neutronowej?

Rozciągają i ściskają całą materię, przez którą przechodzą, w niemal znikomym stopniu - mniejszym niż szerokość jednego atomu.

„Jestem zachwycony tym, czego dokonaliśmy. Po raz pierwszy zacząłem pracować nad falami grawitacyjnymi w Glasgow, gdy byłem jeszcze studentem. Od tego czasu minęło wiele lat, były wzloty i upadki, ale teraz wszystko się połączyło”. mówi pracownica LIGO, profesor Norna Robertson.

„W ciągu ostatnich kilku lat najpierw wykryliśmy łączenie się czarnych dziur, a następnie gwiazd neutronowych i czuję, że otwieramy nowe pole badań” – dodaje.

Istnienie fale grawitacyjne zostało przewidziane w ogólnej teorii względności Einsteina
Opracowanie technologii umożliwiającej rejestrację fal zajęło dziesięciolecia.
Fale grawitacyjne to zniekształcenia czasu i przestrzeni, które powstają w wyniku zdarzeń kosmicznych na dużą skalę
Szybko przyspieszająca materia generuje fale grawitacyjne poruszające się z prędkością światła
Do widzialnych źródeł fal zaliczają się połączenia gwiazd neutronowych i „czarnych dziur”.
Badania nad falami otwierają zasadniczo nowe pole badań

Naukowcy wierzyli, że uwolnienie energii na taką skalę doprowadziło do powstania rzadkich pierwiastków, takich jak złoto i platyna.

Według dr Kate Maguire z Queen's University w Belfaście, która przeanalizowała pierwsze ogniska choroby, które powstały w wyniku fuzji, teoria ta została obecnie udowodniona.

„Korzystając z najpotężniejszych teleskopów na świecie, odkryliśmy, że to połączenie gwiazd neutronowych spowodowało wyrzucenie z dużą prędkością ciężkich pierwiastki chemiczne, takie jak złoto i platyna, w przestrzeń kosmiczną” – mówi Maguire.

„Te nowe wyniki stanowią znaczący postęp w kierunku rozwiązania długotrwałego sporu dotyczącego tego, skąd w układzie okresowym pochodzą pierwiastki cięższe od żelaza” – dodaje.

Nowe granice

Obserwacje zderzenia gwiazd neutronowych potwierdziły także teorię, że towarzyszą mu krótkie rozbłyski promieni gamma.

Porównując zebrane informacje o falach grawitacyjnych powstałych w wyniku zderzenia z danymi dot promieniowanie świetlne zebrane za pomocą teleskopów, naukowcy wykorzystali niestosowaną wcześniej metodę pomiaru tempa ekspansji Wszechświata.

Jeden z najbardziej wpływowych fizyków teoretyków na świecie, profesor Stephen Hawking, w rozmowie z BBC nazwał to „pierwszym szczeblem drabiny” nowego sposobu pomiaru odległości we Wszechświecie.

„Nowe sposoby obserwacji Wszechświata prowadzą do niespodzianek, których wielu nie da się przewidzieć. Wciąż przecieramy oczy, a raczej przeczyszczamy uszy, po tym jak po raz pierwszy usłyszeliśmy dźwięk fal grawitacyjnych” – powiedział Hawking.

Prawa autorskie do ilustracji NSF Podpis obrazu Kompleks obserwatorium LIGO w Livingston. Z budynku wystają „ramiona” – rury, wewnątrz których w próżni przechodzą promienie laserowe

Obecnie trwa modernizacja wyposażenia kompleksu LIGO. Za rok stanie się dwukrotnie czulszy i będzie w stanie przeskanować obszar przestrzeni ośmiokrotnie większy niż obecnie.

Naukowcy uważają, że w przyszłości obserwacje zderzeń czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi staną się codziennością. Mają też nadzieję, że uda im się zaobserwować obiekty, których dziś nawet nie są w stanie sobie wyobrazić, i rozpocząć nową erę w astronomii.

ESO/L. Calcada/M. Kornmessera

Po raz pierwszy w historii naukowcy zarejestrowali fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych – supergęstych obiektów o masie naszego Słońca i wielkości Moskwy. Kolejne rozbłyski gamma i kilonowe obserwowało około 70 obserwatoriów naziemnych i kosmicznych – udało im się zobaczyć przewidywany przez teoretyków proces syntezy ciężkich pierwiastków, w tym złota i platyny, oraz potwierdzić słuszność hipotez o o naturze tajemniczych krótkich rozbłysków gamma – donoszą służby prasowe współpracy LIGO/Virgo, Europejskie Obserwatorium Południowe i Obserwatorium Los Cumbres. Wyniki obserwacji mogą rzucić światło na Wszechświat i we Wszechświecie.

Rankiem 17 sierpnia 2017 r. (o godzinie 8:41 czasu wschodniego wybrzeża, podczas gdy w Moskwie była godzina 15:41) automatyczne systemy jednego z dwóch detektorów obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO wykryły przybycie substancji grawitacyjnej fala z kosmosu. Sygnał oznaczono jako GW170817 i jest to piąty przypadek wykrycia fal grawitacyjnych od czasu ich pierwszego wykrycia w 2015 roku. Zaledwie trzy dni wcześniej obserwatorium LIGO po raz pierwszy zarejestrowało falę grawitacyjną wspólnie z europejskim projektem Virgo.

Jednak tym razem, zaledwie dwie sekundy po zdarzeniu grawitacyjnym, kosmiczny teleskop Fermi zarejestrował błysk promieni gamma na południowym niebie. Niemal w tym samym momencie europejsko-rosyjskie obserwatorium kosmiczne INTEGRAL dostrzegło błysk.

Zautomatyzowane systemy analizy danych LIGO stwierdziły, że zbieżność tych dwóch zdarzeń jest niezwykle mało prawdopodobna. Podczas poszukiwań dodatkowe informacje Odkryto, że drugi detektor LIGO również wykrył falę grawitacyjną, lecz nie zostało wykryte przez Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne Virgo. Astronomowie na całym świecie zostali postawieni w stan pogotowia – wiele obserwatoriów, w tym Europejskie Obserwatorium Południowe i Kosmiczny Teleskop Hubble’a, rozpoczęło poszukiwania źródła fal grawitacyjnych i rozbłysków gamma.

Zmiana jasności i koloru kilonowej po eksplozji

Zadanie nie było łatwe – połączone dane z LIGO/Virgo, Fermi i INTEGRAL pozwoliły na wytyczenie obszaru o powierzchni 35 stopni kwadratowych – to w przybliżeniu obszar kilkuset dysków księżycowych. Zaledwie 11 godzin później mały teleskop Swope z metrowym zwierciadłem znajdujący się w Chile wykonał pierwsze zdjęcie rzekomego źródła - wyglądało ono jak bardzo jasna gwiazda obok galaktyki eliptycznej NGC 4993 w gwiazdozbiorze Hydry. W ciągu następnych pięciu dni jasność źródła spadła 20-krotnie, a kolor stopniowo zmienił się z niebieskiego na czerwony. Przez cały ten czas obiekt był obserwowany przez wiele teleskopów w zakresie od rentgenowskiego do podczerwieni, aż we wrześniu galaktyka znalazła się zbyt blisko Słońca i stała się niedostępna do obserwacji.

Naukowcy doszli do wniosku, że źródło rozbłysku znajdowało się w galaktyce NGC 4993 w odległości około 130 milionów lat świetlnych od Ziemi. To niewiarygodnie blisko; do tej pory fale grawitacyjne docierały do nas z odległości miliardów lat świetlnych. Dzięki tej bliskości mogliśmy ich usłyszeć. Źródłem fali było połączenie dwóch obiektów o masach z zakresu od 1,1 do 1,6 mas Słońca – mogły to być wyłącznie gwiazdy neutronowe.

Zdjęcie źródła fal grawitacyjnych - NGC 4993, w centrum widoczny jest błysk

VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO

Sam wybuch „dźwiękował” przez bardzo długi czas – około 100 sekund, gdy łączenie się czarnych dziur spowodowało wybuchy trwające ułamek sekundy. Para gwiazd neutronowych krążyła wokół wspólnego środka masy, stopniowo tracąc energię w postaci fal grawitacyjnych i zbliżając się do siebie. Kiedy odległość między nimi zmniejszyła się do 300 kilometrów, fale grawitacyjne stały się na tyle silne, że wpadły w strefę czułości detektorów grawitacyjnych LIGO/Virgo. Kiedy dwie gwiazdy neutronowe łączą się w jeden zwarty obiekt (gwiazdę neutronową lub czarną dziurę), następuje potężny rozbłysk promieniowania gamma.

Astronomowie nazywają takie rozbłyski gamma krótkimi rozbłyskami; teleskopy wykrywają je mniej więcej raz w tygodniu. Jeśli natura długich rozbłysków gamma jest bardziej jasna (ich źródłami są eksplozje supernowych), to nie było konsensusu co do źródeł krótkich rozbłysków. Postawiono hipotezę, że powstają one w wyniku łączenia się gwiazd neutronowych.

Teraz naukowcom po raz pierwszy udało się potwierdzić tę hipotezę, gdyż dzięki falom grawitacyjnym znamy masę połączonych składników, co świadczy o tym, że są to gwiazdy neutronowe.

„Przez dziesięciolecia podejrzewaliśmy, że krótkie rozbłyski promieniowania gamma powodują łączenie się gwiazd neutronowych. Teraz, dzięki danym LIGO i Virgo na temat tego wydarzenia, mamy odpowiedź. „Fale grawitacyjne mówią nam, że łączące się obiekty miały masy odpowiadające gwiazdom neutronowym, a rozbłysk gamma mówi nam, że jest mało prawdopodobne, aby te obiekty były czarnymi dziurami, ponieważ zderzenia czarnych dziur nie powinny wytwarzać promieniowania” – mówi Julie McEnery, badaczka naukowiec zajmujący się projektem w Fermi Center NASA Goddard Space Flight.

Ponadto astronomowie po raz pierwszy otrzymali jednoznaczne potwierdzenie istnienia rozbłysków kilonowych (czyli „makronowych”), które są około 1000 razy silniejsze od zwykłych rozbłysków nowych. Teoretycy przewidywali, że kilonowe mogą powstać w wyniku połączenia gwiazd neutronowych lub gwiazdy neutronowej i czarnej dziury.

Uruchamia to proces syntezy ciężkich pierwiastków, polegający na wychwytywaniu neutronów przez jądra (proces r), w wyniku czego we Wszechświecie pojawiło się wiele ciężkich pierwiastków, takich jak złoto, platyna czy uran.

Według naukowców w wyniku jednej eksplozji kilonowej można wytworzyć ogromną ilość złota – nawet dziesięciokrotną masę Księżyca. Do tej pory tylko raz zaobserwowano takie zjawisko.

Teraz astronomowie po raz pierwszy mogli obserwować nie tylko narodziny kilonowej, ale także produkty jej „pracy”. Widma uzyskane za pomocą teleskopów Hubble'a i VLT (Very Large Telescope) wykazały obecność cezu, telluru, złota, platyny i innych ciężkich pierwiastków powstałych podczas łączenia się gwiazd neutronowych.

„Jak dotąd uzyskane przez nas dane doskonale zgadzają się z teorią. To triumf teoretyków, potwierdzenie absolutnej realności wydarzeń zarejestrowanych przez obserwatoria LIGO i Virgo oraz niezwykłe osiągnięcie dla ESO, któremu udało się uzyskać takie obserwacje kilonowej” – mówi Stefano Covino, pierwszy autor książki jedna z gazet w Astronomia Przyrodnicza.

Naukowcy nie mają jeszcze odpowiedzi na pytanie, co pozostanie po połączeniu gwiazd neutronowych - może to być albo czarna dziura, albo nowa gwiazda neutronowa, ponadto nie jest do końca jasne, dlaczego rozbłysk gamma okazał się być stosunkowo słaby.

Fale grawitacyjne to fale drgań w geometrii czasoprzestrzeni, których istnienie przewidywała ogólna teoria względności. Po raz pierwszy ich wiarygodne wykrycie zostało zgłoszone w ramach współpracy LIGO w lutym 2016 r. – 100 lat po przewidywaniach Einsteina. Więcej o tym, czym są fale grawitacyjne i jak mogą pomóc w badaniu Wszechświata, możesz przeczytać w naszych specjalnych materiałach - „” i „.

Aleksander Wojtiuk

Wyniki obserwacji mogą w przyszłości rzucić światło na zagadkę budowy gwiazd neutronowych i powstawania ciężkich pierwiastków we Wszechświecie

Artystyczna wizja fal grawitacyjnych powstałych w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych

Zdjęcie: R. Hurt/Caltech-JPL

Moskwa. 16 października. strona internetowa - Po raz pierwszy w historii naukowcy zarejestrowali fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych - supergęstych obiektów o masie wielkości naszego Słońca i wielkości Moskwy, podaje portal N+1.

Kolejne rozbłyski gamma i kilonowe obserwowało około 70 obserwatoriów naziemnych i kosmicznych – udało im się zobaczyć przewidywany przez teoretyków proces syntezy ciężkich pierwiastków, w tym złota i platyny, oraz potwierdzić słuszność hipotez o o naturze tajemniczych krótkich rozbłysków gamma – donoszą służby prasowe współpracy LIGO/Virgo, Europejskie Obserwatorium Południowe i Obserwatorium Los Cumbres. Wyniki obserwacji mogą rzucić światło na zagadkę budowy gwiazd neutronowych i powstawania ciężkich pierwiastków we Wszechświecie.

Fale grawitacyjne to fale drgań w geometrii czasoprzestrzeni, których istnienie przewidywała ogólna teoria względności. Zespół LIGO po raz pierwszy zgłosił swoje wiarygodne odkrycie w lutym 2016 r. – 100 lat po przewidywaniach Einsteina.

Według doniesień rankiem 17 sierpnia 2017 r. (o godzinie 8:41 czasu wschodniego wybrzeża, podczas gdy w Moskwie była godzina 15:41) automatyczne systemy jednego z dwóch detektorów obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO wykryły przybycie fala grawitacyjna z kosmosu. Sygnał oznaczono jako GW170817 i jest to piąty przypadek wykrycia fal grawitacyjnych od czasu ich pierwszego wykrycia w 2015 roku. Zaledwie trzy dni wcześniej obserwatorium LIGO, wspólnie z europejskim projektem Virgo, „usłyszało” falę grawitacyjną po raz pierwszy.

Zautomatyzowane systemy analizy danych LIGO stwierdziły, że zbieżność tych dwóch zdarzeń jest niezwykle mało prawdopodobna. W trakcie poszukiwań dodatkowych informacji odkryto, że falę grawitacyjną dostrzegł także drugi detektor LIGO, a także Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne Virgo. Astronomowie na całym świecie zostali postawieni w stan pogotowia – wiele obserwatoriów, w tym Europejskie Obserwatorium Południowe i Kosmiczny Teleskop Hubble’a, rozpoczęło poszukiwania źródła fal grawitacyjnych i rozbłysków gamma.

Lokalizacja źródła fal grawitacyjnych w galaktyce NGC 4993

Sama eksplozja „brzmiała” bardzo długo – wytwarzano błyski trwające ułamek sekundy, około 100 sekund; Para gwiazd neutronowych krążyła wokół wspólnego środka masy, stopniowo tracąc energię w postaci fal grawitacyjnych i zbliżając się do siebie. Kiedy odległość między nimi zmniejszono do 300 km, fale grawitacyjne stały się na tyle silne, że wpadły w strefę czułości detektorów grawitacyjnych LIGO/Virgo. Gwiazdy neutronowe wykonały wokół siebie 1,5 tysiąca obrotów. Kiedy dwie gwiazdy neutronowe łączą się w jeden zwarty obiekt (gwiazdę neutronową lub czarną dziurę), następuje potężny rozbłysk promieniowania gamma.

Astronomowie nazywają takie rozbłyski gamma krótkimi rozbłyskami; teleskopy wykrywają je mniej więcej raz w tygodniu. Zgłoszony krótki rozbłysk gamma powstały w wyniku połączenia gwiazd neutronowych trwał 1,7 sekundy.

Jeśli natura długich rozbłysków gamma jest bardziej jasna (ich źródłami są eksplozje supernowych), to nie było konsensusu co do źródeł krótkich rozbłysków. Postawiono hipotezę, że powstają one w wyniku łączenia się gwiazd neutronowych.

Teraz naukowcom po raz pierwszy udało się potwierdzić tę hipotezę, gdyż dzięki falom grawitacyjnym znamy masę połączonych składników, co świadczy o tym, że są to gwiazdy neutronowe.

„Przez dziesięciolecia podejrzewaliśmy, że krótkie rozbłyski gamma powodują łączenie się gwiazd neutronowych. Teraz, dzięki danym z LIGO i Virgo na temat tego zdarzenia, mamy odpowiedź. Fale grawitacyjne mówią nam, że łączące się obiekty miały masy odpowiadające neutronom gwiazd, a rozbłysk gamma mówi, że „jest mało prawdopodobne, aby te obiekty były czarnymi dziurami, ponieważ zderzenia czarnych dziur nie powinny powodować promieniowania” – powiedziała Julie McEnery, naukowiec projektu Fermi w Centrum Lotów Kosmicznych NASA Goddard.

Źródło złota i platyny

Ponadto astronomowie po raz pierwszy otrzymali jednoznaczne potwierdzenie istnienia rozbłysków kilonowych (czyli „makronowych”), które są około 1 tysiąc razy silniejsze od zwykłych rozbłysków nowych. Teoretycy przewidywali, że kilonowe mogą powstać w wyniku połączenia gwiazd neutronowych lub gwiazdy neutronowej i czarnej dziury.

Według naukowców w wyniku jednej eksplozji kilonowej można wytworzyć ogromną ilość złota – nawet dziesięciokrotną masę Księżyca. Jak dotąd tylko raz zaobserwowano zdarzenie, które mogło być eksplozją kilonowej.

11 godzin po zderzeniu temperatura kilonowej osiągnęła 8 tys. stopni, a prędkość jej ekspansji osiągnęła około 100 tys. kilometrów na sekundę – zauważa N+1, powołując się na dane Państwowego Instytutu Astronomicznego Sternberg (SAI).

ESO stwierdziło, że obserwacje niemal idealnie pokrywają się z przewidywaniami dotyczącymi zachowania dwóch gwiazd neutronowych podczas połączenia.

„Jak dotąd uzyskane przez nas dane doskonale zgadzają się z teorią. To triumf teoretyków, potwierdzenie absolutnej realności wydarzeń zarejestrowanych przez obserwatoria LIGO i VIrgo oraz niezwykłe osiągnięcie ESO, któremu udało się aby uzyskać takie obserwacje kilonowej” – mówi Stefano Covino, pierwszy autor jednego z artykułów w Nature Astronomy.

Tak astronomowie widzieli zderzenie gwiazd neutronowych

Współpraca LIGO-Virgo wraz z astronomami z 70 obserwatoriów ogłosiła dziś obserwację połączenia dwóch gwiazd neutronowych w zakresie grawitacyjnym i elektromagnetycznym: zaobserwowali rozbłysk gamma, a także promieniowanie rentgenowskie, ultrafioletowe, widzialne, emisja podczerwieni i fal radiowych.

Ilustracja przedstawiająca zderzenie gwiazdy neutronowej. Wąska emisja diagonalna to strumień promieni gamma. Świecący obłok wokół gwiazd jest źródłem światła widzialnego obserwowanego przez teleskopy po fuzji. Źródło: NSF/LIGO/Uniwersytet Stanowy Sonoma/Aurore Simonnet

Łączna obserwacja rozbłysku gamma, fal grawitacyjnych i światła widzialnego pozwoliła określić nie tylko obszar nieba, w którym miało miejsce zdarzenie, ale także galaktykę NGC 4993, do której należały gwiazdy.

Określanie położenia na niebie przy użyciu różnych detektorów

Co możemy powiedzieć o gwiazdach neutronowych?

Astronomowie obserwują krótkie rozbłyski promieni gamma od wielu dziesięcioleci, ale nie wiedzą dokładnie, jak one powstają. Głównym założeniem było to, że rozbłysk ten był wynikiem połączenia gwiazd neutronowych, a teraz obserwacja fal grawitacyjnych powstałych podczas tego zdarzenia potwierdziła tę teorię.

Kiedy gwiazdy neutronowe się zderzają, większość ich materii łączy się w jeden supermasywny obiekt, emitując „kulę ognia” promieni gamma (ten krótki rozbłysk gamma został wykryty dwie sekundy po falach grawitacyjnych). Następnie następuje tzw. kilonowa, kiedy materia pozostała po zderzeniu gwiazd neutronowych zostaje uniesiona z miejsca zderzenia, emitując światło. Obserwacja widma tego promieniowania pozwoliła stwierdzić, że ciężkie pierwiastki takie jak złoto powstają właśnie w wyniku kilonowych. Naukowcy obserwowali poświatę przez kilka tygodni po zdarzeniu, zbierając dane na temat procesów zachodzących w gwiazdach i była to pierwsza wiarygodna obserwacja kilonowej.

Gwiazdy neutronowe to supergęste obiekty powstałe w wyniku eksplozji supernowej. Ciśnienie w gwieździe jest tak wysokie, że nie mogą istnieć pojedyncze atomy, a wewnątrz gwiazdy znajduje się płynna „zupa” neutronów, protonów i innych cząstek. Aby opisać gwiazdę neutronową, naukowcy używają równania stanu, które wiąże ciśnienie i gęstość materii. Istnieje wiele możliwych równań stanu, ale naukowcy nie wiedzą, które z nich są poprawne, więc obserwacje grawitacyjne mogą pomóc w rozwiązaniu problemu. W tej chwili obserwowany sygnał nie daje jednoznacznej odpowiedzi, ale pozwala na ciekawe oszacowanie kształtu gwiazdy (który zależy od przyciągania grawitacyjnego do drugiej gwiazdy).

Ciekawym odkryciem było to, że obserwowany krótki rozbłysk gamma znajduje się najbliżej Ziemi, ale jednocześnie jest zbyt słaby jak na taką odległość. Naukowcy zaproponowali kilka możliwych wyjaśnień: być może wiązka promieniowania gamma miała nierówną jasność lub widzieliśmy tylko jej krawędź. W każdym razie pojawia się pytanie: wcześniej astronomowie nie zakładali, że takie słabe rozbłyski mogą być zlokalizowane tak blisko i czy mogli następnie przeoczyć te same słabe rozbłyski lub błędnie zinterpretować je jako bardziej odległe? Odpowiedź mogą dać połączone obserwacje w zakresie grawitacyjnym i elektromagnetycznym, ale przy tym poziomie czułości detektora takie obserwacje będą dość rzadkie - średnio 0,1-1,4 rocznie.

Oprócz grawitacji i promieniowanie elektromagnetyczne, gwiazdy neutronowe podczas procesu łączenia emitują strumienie neutrin. Detektory neutrino również pracowały nad poszukiwaniem tych strumieni ze zdarzenia, ale nic nie wykryły. Ogólnie rzecz biorąc, takiego wyniku oczekiwano – podobnie jak w przypadku rozbłysku gamma, zdarzenie jest zbyt słabe (lub patrzymy na nie pod dużym kątem), aby mogły je zobaczyć detektory.

Prędkość fal grawitacyjnych

Ponieważ fale grawitacyjne i sygnał świetlny pochodziły z tego samego źródła z bardzo dużym prawdopodobieństwem (5,3 sigma), a pierwszy sygnał świetlny dotarł 1,7 sekundy po sygnale grawitacyjnym, możemy z bardzo dużą dokładnością ograniczyć prędkość propagacji fal grawitacyjnych . Zakładając, że światło i fale grawitacyjne zostały wyemitowane w tym samym czasie, a opóźnienie pomiędzy sygnałami wynikało z szybszej grawitacji, można uzyskać górną granicę. Niższe szacunki można uzyskać na podstawie modeli łączenia się gwiazd neutronowych: załóżmy, że światło zostało wyemitowane 10 sekund po falach grawitacyjnych (w tym momencie wszystkie procesy powinny się zakończyć) i dogoniło fale grawitacyjne, zanim dotarło do Ziemi. W rezultacie prędkość grawitacji jest równa prędkości światła z dużą precyzją

Dla niższego oszacowania można zastosować duże opóźnienie pomiędzy emisjami, a nawet założyć, że sygnał świetlny został wyemitowany jako pierwszy, co proporcjonalnie zmniejszy dokładność. Ale nawet w tym przypadku oszacowanie jest niezwykle dokładne.

Wykorzystując tę samą wiedzę o opóźnieniu między sygnałami, można znacznie zwiększyć dokładność oszacowań niezmienności Lorentza (różnicy pomiędzy zachowaniem grawitacji i światła w ramach transformacji Lorentza) oraz zasady równoważności.

Naukowcy zmierzyli stałą Hubble'a w inny sposób - obserwując parametry kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła na teleskopie Plancka i uzyskali inną wartość stałej Hubble'a, co nie zgadza się z pomiarami SHOES. Różnica ta jest zbyt duża, aby można ją było traktować statystycznie, ale przyczyny rozbieżności w szacunkach nie są jeszcze znane. Dlatego konieczny jest niezależny pomiar.

Rozkład prawdopodobieństwa dla stałej Hubble'a na podstawie fal grawitacyjnych (kolor niebieski). Linia przerywana wskazuje przedziały 1σ i 2σ (68,3% i 95,4%). Dla porównania pokazane są przedziały 1σ i 2σ dla poprzednich szacunków: Plancka (zielony) i SHoES (pomarańczowy), które nie są ze sobą zbieżne.

W tym przypadku fale grawitacyjne pełnią rolę standardowych świec (i nazywane są standardowymi syrenami). Obserwując amplitudę sygnału na Ziemi i symulując jej amplitudę u źródła, można oszacować, jak bardzo się zmniejszył, a tym samym poznać odległość do źródła – niezależnie od jakichkolwiek założeń dotyczących stałej Hubble’a czy wcześniejszych pomiarów. Obserwacja sygnału świetlnego pozwoliła nam określić galaktykę, w której znajdowała się para gwiazd neutronowych, a prędkość usuwania tej galaktyki była dobrze znana z poprzednich pomiarów. Zależność między prędkością a odległością to stała Hubble'a. Ważne jest, aby takie oszacowanie było całkowicie niezależne od wcześniejszych szacunków lub kosmicznej skali odległości.

Jeden pomiar nie wystarczył, aby rozwiązać zagadkę różnic w szacunkach Plancka i SHOES, ale ogólnie oszacowanie jest już w dobrej zgodności ze znanymi wartościami. Biorąc pod uwagę, że dotychczasowe szacunki opierają się na statystykach gromadzonych na przestrzeni wielu lat, jest to bardzo znaczący wynik.

Trochę o LIGO i błędach

Górny panel pokazuje błąd w danych LIGO-Livingston, a także wyraźnie pokazuje obecność ćwierkania. Dolny panel pokazuje bezwymiarową amplitudę oscylacji, „odkształcenie” (wielkość, której używamy do opisania siły sygnału w LIGO i Virgo) w momencie zakłócenia
(trwa tylko około 1/4 sekundy), ale bardzo silny sygnał. Tłumienie redukuje błąd do poziomu pomarańczowej krzywej, która pokazuje poziom szumu tła, jaki zawsze występuje w detektorach LIGO.

Tylko jeden z detektorów LIGO zarejestrował sygnał w trybie automatycznym, ponieważ w momencie zdarzenia w detektorze Livingstona wystąpiła usterka. Termin ten odnosi się do wybuchu hałasu podobnego do trzasków w radiu. Choć sygnał fali grawitacyjnej był wyraźnie widoczny dla ludzkiego oka, automatyka odcina takie dane. Dlatego konieczne było usunięcie usterki sygnału, zanim dane mogły zostać wykorzystane przez detektor. Zakłócenia w detektorach pojawiają się cały czas - mniej więcej raz na kilka godzin. Naukowcy klasyfikują je według kształtu i czasu trwania, a następnie wykorzystują tę wiedzę do udoskonalania detektorów. Możesz im w tym pomóc dzięki projektowi GravitySpy, w którym użytkownicy wyszukują i klasyfikują usterki w danych LIGO, aby pomóc naukowcom.

Pytania bez odpowiedzi

Znane czarne dziury, gwiazdy neutronowe i ich łączenia. Istnieje obszar średnich mas, w którym nic nie wiemy o istnieniu obiektów zwartych. Źródło: LIGO-Virgo/Northwestern/Frank Elavsky

Wykryliśmy fale grawitacyjne z dwóch zwartych obiektów, a obserwacja promieniowania elektromagnetycznego sugeruje, że jednym z nich była gwiazda neutronowa. Ale druga może być również czarną dziurą o małej masie i choć nikt wcześniej nie widział takich czarnych dziur, teoretycznie mogą one istnieć. Na podstawie obserwacji GW170817 nie można z całą pewnością stwierdzić, czy było to zderzenie dwóch gwiazd neutronowych, chociaż jest to bardziej prawdopodobne.

Drugi ciekawy punkt: czym stał się ten obiekt po fuzji? Może stać się albo supermasywną gwiazdą neutronową (najmasywniejszą znaną), albo najlżejszą znaną czarną dziurą. Niestety, nie ma wystarczających danych obserwacyjnych, aby odpowiedzieć na to pytanie.

Wniosek

Obserwacja łączenia się gwiazd neutronowych na wszystkich długościach fal jest niezwykle bogatym wydarzeniem fizycznym. Ilość danych uzyskanych przez naukowców w ciągu zaledwie tych dwóch miesięcy pozwoliła na przygotowanie kilkudziesięciu publikacji, a gdy dane staną się publicznie dostępne, będzie ich znacznie więcej. Fizyka gwiazd neutronowych jest znacznie bogatsza i ciekawsze niż fizyka czarne dziury - możemy bezpośrednio badać fizykę supergęstego stanu materii, a także mechanikę kwantową w warunkach silnych pól grawitacyjnych. Ta wyjątkowa szansa może pomóc nam w końcu znaleźć umykające nam do tej pory powiązanie między ogólną teorią względności a fizyką kwantową.

To odkrycie po raz kolejny pokazuje, jak ważna we współczesnej fizyce jest wspólna praca wielu tysięcy ludzi.

Reddit AMA

Tradycyjnie naukowcy LIGO odpowiadają na pytania użytkowników na Reddicie, gorąco polecam!
Stanie się to od godziny 18:00 czasu moskiewskiego 17 i 18 października. Link do wydarzenia będzie dostępny w momencie rozpoczęcia.

ogólna teoria względności

teleskop Hubble'a

Teleskop Plancka

Dodaj tagi

16 października astronomowie poinformowali, że 17 sierpnia po raz pierwszy w historii fale grawitacyjne powstałe z połączenia dwóch gwiazdy neutronowe. W obserwacje zaangażowało się 70 grup naukowców, a 4600 astronomów – ponad jedna trzecia wszystkich astronomów na świecie – zostało współautorami jednego z artykułów poświęconych temu wydarzeniu. Witryna N+1 wyjaśniła w długim artykule, dlaczego jest to ważne odkrycie i na jakie pytania pomoże odpowiedzieć.

Jak to się stało?

17 sierpnia 2017 r. o godzinie 15:41:04 czasu moskiewskiego detektor obserwatorium LIGO w Hanford (Waszyngton) usłyszał rekordowo długą falę grawitacyjną – sygnał trwał około stu sekund. To bardzo długi okres czasu – dla porównania cztery poprzednie nagrania fal grawitacyjnych trwały nie dłużej niż trzy sekundy. Aktywował się program automatycznego powiadamiania. Astronomowie sprawdzili dane: okazało się, że drugi detektor LIGO (w Luizjanie) również wykrył falę, ale automatyczny wyzwalacz nie zadziałał ze względu na krótkotrwały szum.

1,7 sekundy później niż detektor Hanforda, który zadziałał niezależnie układ automatyczny Teleskopy Fermiego i Integrala to kosmiczne obserwatoria promieniowania gamma obserwujące jedne z najbardziej wysokoenergetycznych zdarzeń we Wszechświecie. Instrumenty wykryły jasny błysk i w przybliżeniu określiły jego współrzędne. W przeciwieństwie do sygnału grawitacyjnego, błysk trwał tylko dwie sekundy. Co ciekawe, rosyjsko-europejski „Integral” zauważył rozbłysk gamma z „widzeniem bocznym” – „kryształami ochronnymi” głównego detektora. Nie zapobiegło to jednak triangulacji sygnału.

Około godzinę później LIGO przesłało informację o możliwych współrzędnych źródła fal grawitacyjnych – obszar ten udało się zidentyfikować dzięki temu, że sygnał zauważył także detektor Virgo. Z opóźnień, z jakimi detektory zaczęły odbierać sygnał, stało się jasne, że najprawdopodobniej źródło znajdowało się w półkula południowa: sygnał najpierw dotarł do Panny i dopiero wtedy, 22 milisekundy później, został zarejestrowany przez obserwatorium LIGO. Początkowy obszar zalecany do poszukiwań osiągnął 28 stopni kwadratowych, co odpowiada setkom obszarów Księżyca.

Następnym krokiem było połączenie danych z obserwatoriów promieniowania gamma i grawitacyjnych w celu znalezienia dokładnego źródła promieniowania. Ponieważ ani teleskopy gamma, ani zwłaszcza grawitacyjne, nie umożliwiały znalezienia wymaganego punktu z dużą dokładnością, fizycy rozpoczęli jednocześnie kilka poszukiwań optycznych. Jednym z nich jest wykorzystanie systemu zrobotyzowanego teleskopu „MASTER”, opracowanego w SAI MSU.

Obserwacja kilonowej Europejskiego Obserwatorium PołudniowegoEuropejskie Obserwatorium Południowe (ESO)

Chilijski teleskop Metr Swope zdołał wykryć pożądany rozbłysk spośród tysięcy możliwych kandydatów – prawie 11 godzin po pojawieniu się fal grawitacyjnych. Astronomowie odkryli nowy jasny punkt w galaktyce NGC 4993 w gwiazdozbiorze Hydry, jego jasność nie przekraczała 17 mag. Obiekt taki jest dość dostępny do obserwacji w półprofesjonalnych teleskopach.

W ciągu około godziny później, niezależnie od Swope'a, cztery kolejne obserwatoria odkryły źródło, w tym argentyński teleskop sieci MASTER. Następnie rozpoczęła się zakrojona na szeroką skalę kampania obserwacyjna, do której dołączyły teleskopy Obserwatorium Południowoeuropejskiego, Hubble, Chandra, zestaw radioteleskopów VLA i wiele innych instrumentów - w sumie ponad 70 grup naukowców obserwowało rozwój wydarzenia. Dziewięć dni później astronomom udało się uzyskać zdjęcie w Zakres promieniowania rentgenowskiego, a po 16 dniach - na częstotliwości radiowej. Niestety, po pewnym czasie Słońce zbliżyło się do galaktyki i we wrześniu obserwacje stały się niemożliwe.

Co spowodowało eksplozję?

Ten charakterystyczny wzór eksplozji w wielu zakresach elektromagnetycznych został przewidziany i opisany już dawno temu. Odpowiada to zderzeniu dwóch gwiazd neutronowych – ultrakompaktowych obiektów składających się z materii neutronowej.

Według naukowców masy gwiazd neutronowych wynosiły 1,1 i 1,6 mas Słońca (całkowitą masę określono stosunkowo dokładnie - około 2,7 mas Słońca). Pierwsze fale grawitacyjne powstały, gdy odległość między obiektami wynosiła 300 kilometrów.

Dużym zaskoczeniem była niewielka odległość tego układu od Ziemi – około 130 milionów lat świetlnych. Dla porównania to tylko 50 razy dalej niż z Ziemi do Mgławicy Andromedy i prawie o rząd wielkości mniej niż odległość naszej planety do czarnych dziur, których zderzenia rejestrowały wcześniej LIGO i Virgo. Ponadto zderzenie stało się najbliższym źródłem krótkiego rozbłysku gamma w stosunku do Ziemi.

Podwójne gwiazdy neutronowe znane są od 1974 roku – jeden z takich układów odkryli nobliści Russell Hulse i Joseph Taylor. Jednak do tej pory wszystkie znane gwiazdy podwójne neutronowe znajdowały się w naszej Galaktyce, a stabilność ich orbit była wystarczająca, aby nie zderzyły się przez kolejne miliony lat. Nowa para gwiazd zbliżyła się tak blisko, że rozpoczęła się interakcja i zaczął się rozwijać proces przenoszenia materii.

Zderzenie dwóch gwiazd neutronowych. Animacja Nasy

Zdarzenie nazwano kilonową. Dosłownie oznacza to, że jasność rozbłysku była około tysiąc razy silniejsza niż typowe rozbłyski nowych – układów podwójnych, w których zwarty towarzysz przyciąga materię do siebie.

Co to wszystko oznacza?

Pełen zakres zebranych danych pozwala już naukowcom nazwać to wydarzenie kamieniem węgielnym przyszłej astronomii fal grawitacyjnych. Na podstawie wyników przetwarzania danych w ciągu dwóch miesięcy powstało około 30 artykułów w najważniejszych czasopismach: siedem in Natura I Nauka, a także pracować Listy do dzienników astrofizycznych i inne publikacje naukowe. Współautorem jednego z tych artykułów było 4600 astronomów z różnych kolaboracji — ponad jedna trzecia wszystkich astronomów na świecie.

Oto kluczowe pytania, na które naukowcom po raz pierwszy udało się naprawdę odpowiedzieć.

Co wyzwala krótkie rozbłyski promieniowania gamma?

Rozbłyski gamma to jedne z najbardziej energetycznych zdarzeń we Wszechświecie. Moc jednego takiego rozbłysku jest wystarczająca, aby w ciągu sekund uwolnić do otaczającej przestrzeni tyle energii, ile Słońce wytwarza w ciągu 10 milionów lat. Istnieją krótkie i długie rozbłyski promieniowania gamma; Ponadto uważa się, że są to zjawiska różniące się mechanizmem. Za źródło długich wybuchów uważa się na przykład zapadanie się masywnych gwiazd.

Uważa się, że źródłem krótkich rozbłysków gamma są połączenia gwiazd neutronowych. Jednak jak dotąd nie ma na to bezpośrednich dowodów. Nowe obserwacje stanowią jak dotąd najmocniejszy dowód na istnienie tego mechanizmu.

Skąd we Wszechświecie bierze się złoto i inne ciężkie pierwiastki?

Nukleosynteza – fuzja jąder gwiazd – umożliwia otrzymanie ogromnej gamy pierwiastków chemicznych. W przypadku lekkich jąder reakcje syntezy jądrowej przebiegają z uwolnieniem energii i są na ogół korzystne energetycznie. W przypadku pierwiastków o masie zbliżonej do masy żelaza przyrost energii nie jest już tak duży. Z tego powodu w gwiazdach prawie nie powstają pierwiastki cięższe od żelaza – z wyjątkiem wybuchów supernowych. Są one jednak całkowicie niewystarczające, aby wyjaśnić występowanie złota, lantanowców, uranu i innych ciężkich pierwiastków we Wszechświecie.

W 1989 roku fizycy zasugerowali, że odpowiedzialna może być r-nukleosynteza podczas łączenia się gwiazd neutronowych. Więcej na ten temat można przeczytać na blogu astrofizyka Marata Musina. Do tej pory proces ten był znany jedynie w teorii.

Badania spektralne nowego zdarzenia wykazały wyraźne ślady narodzin ciężkich pierwiastków. W ten sposób dzięki spektrometrom Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) i Hubble'a astronomowie odkryli obecność cezu, telluru, złota i platyny. Istnieją również dowody na powstawanie ksenonu, jodu i antymonu. Fizycy szacują, że w wyniku zderzenia wyrzucono całkowitą masę lekkich i ciężkich pierwiastków odpowiadającą 40-krotności masy Jowisza. Według modeli teoretycznych samo złoto wytwarza masę około 10 razy większą od Księżyca.

Co to jest stała Hubble'a?

Tempo ekspansji Wszechświata można oszacować eksperymentalnie za pomocą specjalnych „świec standardowych”. Są to obiekty, dla których znana jest jasność absolutna, co oznacza, że ze związku pomiędzy jasnością absolutną i pozorną można wywnioskować, jak daleko się one znajdują. Szybkość ekspansji w danej odległości od obserwatora jest określana na podstawie przesunięcia Dopplera np. linii wodoru. Rolę „świec standardowych” pełnią na przykład supernowe typu Ia („eksplozje” białych karłów) - nawiasem mówiąc, to w ich próbce udowodniono ekspansję Wszechświata.

Obserwacja połączenia dwóch gwiazd neutronowych z teleskopu w Obserwatorium Paranal (Chile)Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO)

Stała Hubble'a określa liniową zależność szybkości ekspansji Wszechświata w danej odległości. Każde niezależne określenie jego wartości pozwala zweryfikować słuszność przyjętej kosmologii.

Źródłem fal grawitacyjnych są także „świece standardowe” (lub, jak nazywa się je w artykule, „syreny”). Ze względu na charakter wytwarzanych przez nie fal grawitacyjnych można niezależnie określić odległość do nich. Właśnie to wykorzystali astronomowie w jednym z nowych dzieł. Wynik zbiegł się z innymi niezależnymi pomiarami – opartymi na kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła i obserwacjach obiektów soczewkowanych grawitacyjnie. Stała wynosi około 62–82 kilometrów na sekundę na megaparsek. Oznacza to, że dwie galaktyki oddalone od siebie o 3,2 miliona lat świetlnych oddalają się średnio z prędkością 70 kilometrów na sekundę. Połączenie nowych gwiazd neutronowych pomoże poprawić dokładność tych szacunków.

Jak działa grawitacja?

Ogólnie przyjęte dzisiaj ogólna teoria teoria względności dokładnie przewiduje zachowanie fal grawitacyjnych. Jednakże teoria kwantowa grawitacja nie została jeszcze rozwinięta. Hipotez na temat tego, jak można by to skonstruować, jest kilka – są to projekty teoretyczne z dużą liczbą nieznanych parametrów. Jednoczesna obserwacja promieniowania elektromagnetycznego i fal grawitacyjnych umożliwi doprecyzowanie i zawężenie granic tych parametrów, a także odrzucenie niektórych hipotez.

Na przykład fakt, że fale grawitacyjne przybyły 1,7 sekundy przed promieniami gamma, potwierdza, że rzeczywiście poruszają się z prędkością światła. Ponadto samo opóźnienie można wykorzystać do przetestowania zasady równoważności leżącej u podstaw ogólnej teorii względności.

Jak działają gwiazdy neutronowe?

Budowę gwiazd neutronowych znamy tylko w ogólny zarys. Mają skorupę z ciężkich pierwiastków i rdzeń neutronowy - ale na przykład nadal nie znamy równania stanu materii neutronowej w rdzeniu. I od tego zależy na przykład odpowiedź na tak proste pytanie: co dokładnie powstało podczas zaobserwowanego przez astronomów zderzenia?

Wizualizacja fal grawitacyjnych powstałych w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych

Podobnie jak białe karły, gwiazdy neutronowe mają taką koncepcję masa krytyczna, po przekroczeniu może rozpocząć się załamanie. W zależności od tego, czy masa nowego obiektu przekroczyła masę krytyczną, czy nie, istnieje kilka scenariuszy dalszy rozwój wydarzenia. Jeśli całkowita masa okaże się zbyt duża, obiekt natychmiast zapadnie się w czarną dziurę. Jeśli masa jest nieco mniejsza, może powstać nierównowaga, szybko obracająca się gwiazda neutronowa, która jednak ostatecznie również zapadnie się w czarną dziurę. Alternatywną opcją jest utworzenie magnetara, szybko obracającej się dziury neutronowej o ogromnej średnicy pole magnetyczne. Najwyraźniej w wyniku zderzenia nie powstał magnetar; nie wykryto towarzyszącego mu twardego promieniowania rentgenowskiego.

Według Władimira Lipunowa, szefa sieci MASTER, dostępne obecnie dane nie wystarczą, aby dowiedzieć się, co dokładnie powstało w wyniku fuzji. Astronomowie mają już jednak szereg teorii, które zostaną opublikowane w nadchodzących dniach. Być może możliwe będzie określenie pożądanej masy krytycznej na podstawie przyszłych połączeń gwiazd neutronowych.

Władimir Korolew, N+1