Об открытии гравитационных волн для чайников

О каком событии речь 

16 октября стало известно, что ученые впервые поймали гравитационный всплеск от слияния нейтронных звезд.

Сам всплеск "звучал" очень долго — около 100 секунд. Ранее слияния черных дыр давали всплески длительностью в доли секунды.

Сейчас пара нейтронных звезд вращалась вокруг общего центра масс, постепенно теряя энергию в виде гравитационных волн и сближаясь. Когда расстояние между ними сократилось до 300 км, гравитационные волны стали достаточно мощными, чтобы попасть в зону чувствительности гравитационных детекторов. Нейтронные звезды успели совершить 1,5 тысячи оборотов вокруг друг друга.

Это, действительно, выдающееся открытие, наблюдение сигнала имеет беспрецедентную важность для современной астрономии. Слияние гравитационной и классической астрономии дает возможность построить наиболее полную картину происходящего в глубинах Вселенной, проверить многие теории и, возможно, обнаружить новые, ещё не открытые явления.

Многое здесь произошло впервые:

а) впервые астрономам удалось пронаблюдать слияние двух нейтронных звёзд. Причём, по астрофизическим меркам, довольно близко – всего в 130 миллионов световых лет. Оценки масс компонент дают (1,36-2,26) и (0,86-1,36) масс Солнца.

б) впервые обнаружен зафиксировали гравитационный всплеск и отклик во всех диапазонах электромагнитного спектра. В сумме это явление наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий самого разного рода назначения по всему миру.

Как все приходило

Недавно количество гравитационных детекторов достигло трех, и появилась реальная возможность локализации источника гравитационного сигнала.

14 августа впервые в истории все три детектора зафиксировали гравитационный сигнал от слияния чёрных дыр. Область на небе, из которой он пришел, удалось определить с точностью в 60 квадратных градусов (примерно 1/10 площади такого созвездия, как Орион).

Еще один, новый гравитационный сигнал все три гравитационных детектора совместно зафиксировали всего через несколько дней: 17 августа 2017 года в 12.41.04 (UTC).

В тот день, 17 августа, через 2 секунды после регистрации гравитационных волн научный прибор Gamma-ray Burst Monitor (GBM) на борту космической обсерватории Fermi, и космическая гамма-обсерватория ИНТЕГРАЛ независимо зафиксировали короткий гамма-всплеск.

Причем по характеристикам это событие соответствовало слиянию нейтронных звезд, а не черных дыр, как было в предыдущих ситуациях. Область на небе, откуда пришли гравитационные волны, составила менее 30 квадратных градусов. Начали поиск объектов в электромагнитным диапазоне.

На основе задержки между моментами прихода сигнала на обсерватории Fermi и ИНТЕГРАЛ, как и в случае гравитационных детекторов, удалось значительно улучшить локализацию источника гамма-лучей. Выяснилось, что время и область гамма-всплеска совпадают с направлением на источник гравитационных волн, полученных гравдетекторами.

Локализация источника гравитационных волн в галактике NGC 4993

Далее, уже получив координаты, обсерватории всего мира регистрировали и наблюдали электромагнитное излучение в рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом, инфракрасном и радиоволновом диапазонах.

Используя оценки координат источника, астрономы начали поиски его оптических проявлений, как только местности наблюдения наступала темнота. Телескопы в Чили стали первыми, где спустя 10 часов после слияния стала видна область локализации всплеска. Все галактики в этом месте стали целями для точечного поиска. И открытие оптического послесвечения в галактике NGC 4993 оставалось лишь делом времени.

Объект оказался не совсем обычным. Оказалось, что по спектральным характеристикам и по виду кривой блеска объекта он не похож на известные короткие гамма-всплески. Объясняется это тем, что мы наблюдаем источник под большим углом, в отличие от других более далеких гамма-всплесков, которые мы видим близко к оси джета.

Через 12,8 часов обсерваторией Gemini был обнаружен отклик в ближнем инфракрасном диапазоне.

В ультрафиолетовом диапазоне сигнал был обнаружен космическими телескопами Swift и Hubble Space Telescope.

Рентгеновский компонент был обнаружен лишь на 9-й день наблюдений Такая задержка связана с ориентацией направленного выброса вещества – джета. Фактически джет был направлен совсем в другую сторону, а эффекты, связанные с разлетающийся оболочкой, проявились гораздо позже.

Довольно долго астрономы не могли обнаружить отклик в радиодиапазоне. Не смотря на подключение всех возможных инструментов, сигнал был обнаружен только 2 сентября.

Предпринимались попытки обнаружить связанные со слиянием нейтронных звезд нейтрино, однако они не увенчались успехом.

Так столкновение нейтронных звезд увидели астрономы

Еще одно важное наблюдение было сделано спустя две недели после всплеска в оптическом диапазоне. Телескопы VLT и HST заметили признаки радиоактивного распада – то, что астрофизики называют r-процессом. Определенные черты в спектре указали на то, что в выбросе, возможно, появились элементы группы лантаноидов.

Что же осталось после слияния двух нейтронных звезд?

Есть три возможных варианта:

1) в результате слияния могла сразу образоваться черная дыра, если две нейтронные звезды были достаточно массивны.

2) мог получиться тяжелый остаток — массивная нейтронная звезда, которая достаточно быстро сколлапсирует в черную дыру.

3) мог получиться магнитар, хотя в принципе, наблюдения ИНТЕГРАЛа в течение 5 дней после вспышки и отсутствие сигнала этот вариант ставят под сомнение — и это очень еще один важный вклад обсерватории, помимо самого открытия».

Значение

Как это ни парадоксально, черные дыры – очень простые объекты, полностью описывающиеся хорошо известными законами общей теории относительности. В то же время, структура нейтронных звезд и уравнение состояния нейтронной материи до сих пор точно неизвестны.

Открытие даст возможность лучше понять саму природу нейтронных звезд, уточнить уравнения состояния вещества, из которого они состоят. И если раньше учёные лишь теоретически предполагали, что короткие гамма-всплески генерируются при слиянии нейтронных звезд, то теперь это подтверждено наблюдениями.

Обнаружение этой вспышки в галактике NGC 4993, является наглядной и видной любому человеку демонстрацией того, что гравитационные волны существуют и что теория относительности Эйнштейна правильно их описывает и предсказывает.

Наконец, августовское открытие дало возможность получить строгие ограничения на скорость распространения гравитационных волн – как и гласит теория, с высокой точностью их скорость оказалась равна скорости света.

По материалам

История вопроса:

- Первая регистрация гравитационных волн

- Вторая регистрация гравитационных волн

- Третья регистрация гравитационных волн

- Четвертая регистрация гравитационных волн

ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ НА ЭТОТ БЛОГ!