Гравитационные волны «нейтронных звезд»: почему это важнейшее открытие года?

На протяжении нескольких недель бурлили слухи, что ученые зафиксировали гравитационные волны — крошечную рябь в пространстве и времени — нового типа, не связанного со столкновением черных дыр. И вот мы получили окончательное подтверждение тому, что увидели подобные волны, произведенные жестоким столкновением двух массивных сверхплотных звезд в 100 миллионах световых лет от Земли.

Открытие было сделано 17 августа глобальной сетью современных гравитационно-волновых интерферометров, состоящей из двух детекторов LIGO в США и их европейского кузена Virgo в Италии. Открытие чрезвычайно важное, не в последнюю очередь потому, что помогает решить крупнейшие загадки в астрофизике — включая причину ярких вспышек, известных как «гамма-лучевые всплески», и, возможно, даже происхождения тяжелых элементов, таких как золото.

Далее — от первого лица: Мартин Хендри, профессор гравитационной астрономии и космологии Университета Глазго.

Будучи членом научной коллаборации LIGO, я пришел в восторг сразу же, как только увидел исходные данные. Следующий период был определенно самым интенсивным и бессонным, но также захватывающим, за два месяца моей карьеры.

Объявление последовало через несколько недель после того, как трем ученым присудили Нобелевскую премию по физике за их важную работу, которая привела к открытию гравитационных волн, впервые анонсированных в феврале 2016 года. С тех пор обнаружение гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр становилось все ближе к нам — было зарегистрировано еще четыре подобных события. Но насколько нам известно, столкновение черных дыр открывает окно лишь на темную сторону Вселенной. Мы не могли бы зафиксировать свет от таких событий, имея любые инструменты.

Но GW170817 — название события 17 августа — все изменило. Потому что источником волн на этот раз были две «нейтронные звезды» — невероятно плотные остатки звезд размером с город, каждая весом больше солнца. Эти звезды носятся одна вокруг другой на гигантской скорости, а потом сливаются в ужасном столкновении, которое мы и увидели, потрясающем саму ткань пространства и времени.

Решенные загадки

Тот космический концерт был только началом. Астрономы давно подозревали, что слияние двух нейтронных звезд может быть увертюрой для короткого гамма-лучевого всплеска — мощной вспышки гамма-лучей, которые испускают больше энергии за долю секунды, чем солнце — за десять миллиардов лет. Мы наблюдали гамма-лучи уже несколько десятилетий, но не знали, что их вызывает.

Однако всего через 1,7 секунды после того, как гравитационные волны от GW170817 прибыли на Землю, спутник Fermi NASA обнаружил короткий всплеск гамма-лучей в той же области неба. LIGO и Virgo нашли дымящийся пистолет, и связь между столкновениями нейтронной звезды и короткими всплесками гамма-лучей была установлена окончательно и четко.

Сочетание гравитационно-волновых и гамма-лучевых наблюдений позволили определить положение космического взрыва с точность до 30 квадратных градусов неба — или в 100 раз большего участка, чем полная луна. Это, в свою очередь, позволило целой батарее астрономических телескопов, чувствительных к свету всего электромагнитного спектра, обыскать этот небольшой участок неба в поисках послесвечения взрыва. И они нашли его — в задней части довольно скромной галактики NGC4993, в созвездии Гидры.

В следующие дни и недели астрономы наблюдали за агонией, пока угольки от взрыва вспыхивали и гасли, прекрасным образом сливаясь в картину, описывающую так называемую «килоновую». Она рождается, когда материал, богатый субатомными частицами — нейтронами, — от изначального слияния выбрасывается на большой скорости под действием гамма-лучевого всплеска. Все это выбрасывается в окружающий космос и приводит к производству тяжелых радиоактивных элементов.

Нестабильные элементы затем распадаются до стабильного состояния с излучением радиации. Это приводит к свечению килоновой, которое мы подтвердили, составив подробную карту. Наши наблюдения также подтвердили теорию, что стабильные конечные продукты этих цепочек реакций включают обилие драгоценных металлов, таких как золото и платина. Хотя мы подозревали, что нейтронные звезды играют ключевую роль в создании этих элементов в космосе, эта гипотеза теперь кажется намного более убедительной. И в самом деле, килоновая, которая сформировалась из осколков GW170817, могла произвести золота по массе с целую Землю — 1000 триллионов тонн.

Наблюдая за килоновой «в интимной близости» впервые и видя, насколько хорошо она вписывается в разворачивающуюся астрономическую раскадровку, которая началась со слияния нейтронной звезды, астрономы осуществили огромный скачок к пониманию этих жестоких космических событий.

Мысль о том, что все мы сделаны из звездной пыли, невероятно популярна в культурном сознании — везде, от документальных фильмов до песенной лирики. Но умопомрачительная концепция о том, что золото в наших обручальных кольцах и часах Rolex сделано из нейтронной звездной пыли, еще интереснее. Еще более захватывающим является огромный потенциал, который открывается в новых радикальных подходах к изучению космоса.

Работая совместно — используя инструменты, которые работают не только по всему спектру света, но и чувствительны к гравитационным волнам и даже нейтрино — астрономы готовы полностью открыть новое окно во Вселенную. Например, они уже использовали свои наблюдения, чтобы сделать первое совместное измерение скорости расширения Вселенной, используя как гравитационные волны, так и свет.

Новые результаты последуют в ближайшее время. С этого взрыва новая увлекательная эпоха многопользовательской астрономии только начинается.