Sammanslagning av två stjärnor. För första gången har gravitationsvågor från en sammanslagning av neutronstjärnor – och ljuset från dem

För första gången i mänsklighetens historia har astronomer upptäckt gravitationsvågor från sammanslagning av två neutronstjärnor. Händelsen i galaxen NGC 4993 "uppfattades" den 17 augusti av LIGO/Virgo gravitationsobservatorier. Efter dem anslöt sig andra astronomiska instrument till observationerna. Som ett resultat av detta observerade 70 observatorier händelsen, och enligt observationsdata publicerades idag minst 20 (!) vetenskapliga artiklar.

Rykten om att LIGO/Jungfru-detektorerna äntligen har upptäckt en ny händelse och att detta inte är ännu en sammanslagning av svarta hål har spridits över sociala nätverk Det är redan den 18 augusti. Ett uttalande om det väntades i slutet av september, men då begränsade sig forskarna till bara nästa gravitationsvåghändelse som involverade två svarta hål - den inträffade 1,8 miljarder ljusår från jorden, och för första gången deltog inte bara amerikanska detektorer i dess observation den 14 augusti, men också den europeiska Jungfrun, som två veckor tidigare "anslutit sig till" jakten på rum-tidsfluktuationer.

Ny LIGO. Källa med optisk motsvarighet. Blås av din sox!
J Craig Wheeler (@ast309) 18 augusti 2017

Efter detta vann samarbetet sitt välförtjänta Nobelpris i fysik - för detektering av gravitationsvågor och bekräftelse av Einsteins korrekthet i att förutsäga deras existens - och nu har det berättat för världen om upptäckten att det sparade till "godis".

Vad exakt hände?

Neutronstjärnor är väldigt, väldigt små och mycket täta föremål som vanligtvis skapas av supernovaexplosioner. Den typiska diametern för en sådan stjärna är 10-20 km, och massan är jämförbar med solens massa (vars diameter är 100 000 000 gånger större), så densiteten av neutronstjärnans ämne är flera gånger högre än densiteten hos atomkärna. För närvarande känner vi till flera tusen sådana objekt, men det finns bara ett och ett halvt till två dussin binära system.

En kilonova (liknande en "supernova"), vars gravitationseffekt registrerades av LIGO/Jungfrun den 17 augusti, finns i stjärnbilden Hydra på ett avstånd av 130 miljoner ljusår från jorden. Det var resultatet av sammanslagning av två neutronstjärnor med massor från 1,1 till 1,6 solmassor. En indikation på hur nära denna händelse var oss är att medan signalen från sammanslagna binära svarta hål vanligtvis låg inom känslighetsområdet för LIGO-detektorer under en bråkdel av en sekund, varade signalen som registrerades den 17 augusti cirka 100 sekunder.

"Detta är inte den första kilonova som registrerats", sa astrofysikern Sergej Popov, programledare, i en intervju med en Attic-korrespondent. Forskare Statens astronomiska institut uppkallad efter. PC. Sternberg - men de kunde listas inte ens på ena handens fingrar, utan nästan på öronen. Det var bokstavligen en eller två av dem.”

Nästan samtidigt, ungefär två sekunder efter gravitationsvågorna, upptäckte NASA:s Fermi Gamma-Ray Space Telescope och INTERnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL gammastrålningskurar. Under de följande dagarna registrerade forskare elektromagnetisk strålning i andra områden, inklusive röntgen, ultraviolett, optisk, infraröd och radiovågor.

Efter att ha fått koordinaterna kunde flera observatorier börja söka inom några timmar i det område av himlen där händelsen ska ha inträffat. Ny ljuspunkt som liknar ny stjärna, upptäcktes av optiska teleskop, och så småningom observerade omkring 70 observatorier denna händelse i olika våglängdsområden.

"För första gången, i motsats till "ensamma" sammanslagningar av svarta hål, registrerades en "företags"-händelse inte bara av gravitationsdetektorer utan också av optiska och neutrinoteleskop. Detta är den första sådan runddans av observationer kring en händelse, säger professorn vid fakulteten för fysik vid Moskvas statliga universitet Sergei Vyatchanin, som är en del av en grupp ryska forskare som deltog i observationen av fenomenet under ledning av professorn. vid fakulteten för fysik vid Moscow State University Valery Mitrofanov.

I ögonblicket för kollisionen smälte huvuddelen av de två neutronstjärnorna samman till ett ultratätt objekt som sänder ut gammastrålar. De första mätningarna av gammastrålar, i kombination med detektering av gravitationsvågor, bekräftar förutsägelsen av Einsteins allmänna relativitetsteori, nämligen att gravitationsvågor färdas med ljusets hastighet.

"I alla tidigare fall var källan till gravitationsvågor sammanslagna svarta hål. Paradoxalt nog är svarta hål mycket enkla objekt, helt och hållet bestående av krökt utrymme och därför helt beskrivna av de välkända lagarna för allmän relativitet. Samtidigt är strukturen hos neutronstjärnor och i synnerhet tillståndsekvationen för neutronmateria fortfarande exakt okänd. Att studera signaler från sammanslagna neutronstjärnor kommer därför att ge en enorm mängd ny information även om egenskaperna hos superdens materia i extrema förhållanden", sa Farit Khalili, professor vid fakulteten för fysik vid Moscow State University, som också ingår i Mitrofanovs grupp.

Vad är betydelsen av denna upptäckt?

För det första är observation av neutronstjärnes sammanslagningar ytterligare en tydlig demonstration av kraften i astronomiska observationer som banat väg för av LIGO- och Jungfrudetektorerna.

"Det här är förlossningen ny vetenskap! Idag är en sådan dag, säger Vladimir Lipunov, chef för rymdövervakningslaboratoriet vid Statens luftfartsinstitut vid Moscow State University och chef för MASTER-projektet, till Cherdak. – Det kommer att kallas gravitationsastronomi. Det är då alla tusen år gamla astronomimetoder, som tusentals astronomer har använt i många tusen år, har utvecklats, kommer att bli användbara för gravitationsvågämnen. Fram till idag var allt detta ren fysik, det vill säga till och med fantasi ur allmänhetens synvinkel, men nu är det redan verklighet. Ny verklighet."

"För ett och ett halvt år sedan, när gravitationsvågor upptäcktes, upptäcktes ett nytt sätt att studera universum, att studera universums natur. Och denna nya metod har redan på ett och ett halvt år visat sin förmåga att ge oss viktig, djup information om olika fenomen i universum. I flera decennier försökte de bara upptäcka gravitationsvågor, och sedan en gång - för ett och ett halvt år sedan upptäcktes de, fick Nobelpriset, och nu har ett och ett halvt år gått, och det har verkligen visat sig att, förutom flaggan som alla hissade - ja, Einstein hade rätt! "Det fungerar verkligen nu, bara i början av vetenskapen om gravitationsastronomi, visar det sig vara så effektivt att studera olika fenomen i universum," astrofysikern Yuri Kovalev, chef för laboratoriet för grundläggande och tillämpad forskning av relativistiska objekt. universum vid MIPT, chef för laboratoriet, berättade för Attic-korrespondenten Lebedev Physical Institute, chef för det vetenskapliga programmet för Radioastron-projektet.

Dessutom samlades en enorm mängd ny data in under observationerna. I synnerhet registrerades att under sammanslagning av neutronstjärnor bildas tunga grundämnen som guld, platina och uran. Detta bekräftar en av de existerande teorier ursprunget för tunga grundämnen i universum. Tidigare modellering hade redan visat att enbart supernovaexplosioner inte är tillräckligt för att syntetisera tunga grundämnen i universum, och 1999 föreslog en grupp schweiziska forskare att sammanslagningar av neutronstjärnor kunde vara en annan källa till tunga grundämnen. Även om kilonovaer är mycket ovanligare än supernovor, kan de generera de flesta tunga grundämnen.

"Tänk dig, du har aldrig hittat pengar på gatan, och så hittade du dem till slut. Och det här är tusen dollar på en gång”, säger Sergej Popov. – För det första är detta en bekräftelse på att gravitationsvågor utbreder sig med ljusets hastighet, bekräftelse med en noggrannhet på 10 -15. Detta är en mycket viktig sak. För det andra är detta ett visst antal rent tekniska bekräftelser på ett antal bestämmelser i den allmänna relativitetsteorin, vilket är mycket viktigt för fundamental fysik i allmänhet. För det tredje - om vi återvänder till astrofysiken - är detta en bekräftelse på att korta gammastrålar är sammanslagning av neutronstjärnor. När det gäller tunga element är det naturligtvis inte så att ingen trodde på sådana saker tidigare. Men det fanns inte en sådan underbar uppsättning data."

Och detta datakomplex redan den första dagen gjorde det möjligt för forskare att publicera, enligt attiska beräkningar, minst 20 artiklar (åtta i Vetenskap, fem tum Natur, två in Fysiska granskningsbrev och fem in Astrofysiska tidskriftsbrev). Enligt journalisters uppskattningar Vetenskap, antalet författare till artikeln som beskriver händelsen motsvarar ungefär en tredjedel av alla aktiva astronomer. Ser du fram emot fortsättningen? Vi gör.

Innan vi observerade denna händelse hade vi två sätt att uppskatta frekvensen av neutronhålssammanslagningar: mätningar av binära neutronstjärnor i vår galax (som från pulsarer) och våra teoretiska modeller av stjärnbildning, supernovor och deras rester. Allt detta ger oss en uppskattning - cirka 100 sådana sammanslagningar sker årligen inom en kubik gigaparsek utrymme.

Observationen av den nya händelsen har gett oss vår första observerbara uppskattning av frekvensen av norrsken, och den är tio gånger högre än förväntat. Vi trodde att vi skulle behöva LIGO som når sin känslighetsgräns (den är halvvägs nu) för att se något, och sedan tre extra detektorer för att exakt definition platser. Och vi lyckades inte bara se den tidigt, utan också lokalisera den vid första försöket. Så frågan är: har vi bara tur att se den här händelsen, eller är frekvensen av sådana händelser verkligen mycket högre än vi trodde? Om högre, var har våra teoretiska modeller då fel? I nästa år LIGO kommer att gå till modernisering, och teoretiker kommer att ha lite tid att tänka på det.

Vad är det som gör att ämnet frigörs i sådana mängder under fusionsprocessen?

Våra bästa teoretiska modeller förutspådde att stjärnsammanslagningar som denna skulle åtföljas av en stark ljussignal i de ultravioletta och optiska delarna av spektrumet under dagen och sedan dämpas och försvinna. Men istället höll glöden i två dagar innan den började blekna och vi hade såklart frågor. Det starka skenet som varade så länge tyder på att vindar i skivan runt stjärnorna kastade ut 30-40 gånger massan av Jupiter som materia. Enligt våra uppgifter borde substansen ha varit mindre än hälften eller till och med åtta gånger mindre.

Vad är det som är så ovanligt med dessa utsläpp? För att simulera en sådan sammanslagning måste du inkludera många olika fysik:

hydrodynamik
magnetiska fält
ekvation av materiens tillstånd vid kärndensiteter
interaktioner med neutriner

…och mycket mer. Olika koder modellerar dessa komponenter med på olika nivåer komplexitet, och vi vet inte säkert vilken komponent som är ansvarig för dessa vindar och utsläpp. Att hitta rätt är en utmaning för teoretiker, och vi måste inse det faktum att vi mätte en neutronstjärnes sammanslagning för första gången... och fick en överraskning.

I de sista ögonblicken av sammanslagningen avger de två neutronstjärnorna inte bara , utan också en katastrofal explosion som ekar över det elektromagnetiska spektrumet. Och om produkten är en neutronstjärna, ett svart hål eller något exotiskt däremellan, är övergångstillståndet ännu inte känt för oss

Framkallade denna sammanslagning en supermassiv neutronstjärna?

För att få tillräckligt med förlorad massa från en neutronstjärnefusion måste produkten av den sammanslagningen generera tillräckligt med energi av lämplig typ för att blåsa bort den massan från skivan som omger stjärnan. Baserat på den observerade gravitationsvågssignalen kan vi säga att denna sammanslagning skapade ett objekt med en massa på 2,74 solmassor, vilket är betydligt högre än den maximala solmassa som en icke-roterande neutronstjärna kan ha. Det vill säga, om kärnämne beter sig som förväntat borde sammanslagningen av två neutronstjärnor ha lett till uppkomsten av ett svart hål.

En neutronstjärna är en av de tätaste samlingarna av materia i universum, men det finns en övre gräns för dess massa. Överskrid den och neutronstjärnan kollapsar igen och bildar ett svart hål

Om kärnan av detta objekt omedelbart kollapsade i ett svart hål efter sammanslagningen, skulle det inte bli någon utkastning. Om den istället skulle bli en supermassiv neutronstjärna skulle den behöva snurra extremt snabbt, eftersom den höga rörelsemängden skulle öka den maximala massagränsen med 10-15%. Problemet är att om vi fick en supermassiv neutronstjärna som roterade så snabbt, skulle den behöva bli en magnetar med ett extremt kraftfullt magnetfält, en kvadriljon gånger kraftfullare än fälten på jordens yta. Men magnetarer slutar snabbt att snurra och bör kollapsa till ett svart hål efter 50 millisekunder; våra observationer av magnetiska fält, viskositet och värme som kastade ut massan indikerar att föremålet existerade i hundratals millisekunder.

Något är fel här. Antingen har vi en snabbt snurrande neutronstjärna som av någon anledning inte är en magnetar, eller så kommer vi att få skurar på hundratals millisekunder och vår fysik ger oss inte svaret. Samtidigt, om än bara kort, hade vi med största sannolikhet en supermassiv neutronstjärna, och bakom den ett svart hål. Om båda alternativen är korrekta har vi att göra med den mest massiva neutronstjärnan och det svarta hålet med den lägsta massan i hela observationshistorien!

Om dessa neutronstjärnor var mer massiva, skulle sammanslagningen vara osynlig?

Det finns en gräns för hur massiva neutronstjärnor kan vara, och lägger man till mer och mer massa får man ett svart hål. Denna solmassagräns på 2,5 för icke-roterande neutronstjärnor innebär att om den totala sammanslagningsmassan är lägre, kommer du nästan säkert att sitta kvar med en neutronstjärna efter sammanslagningen, vilket resulterar i de starka och långvariga ultravioletta och optiska signalerna som vi såg I detta fall. Å andra sidan, om du stiger över 2,9 solmassor kommer ett svart hål att bildas direkt efter sammanslagningen, mycket möjligt utan ultraviolett eller optiskt ackompanjemang.

Hur som helst, vår allra första sammanslagning av neutronstjärnor föll precis i mitten av detta område, där en supermassiv neutronstjärna kan komma fram och producera emissioner och optiska och ultravioletta signaler under en kort tidsperiod. Uppstår magnetarer vid mindre massiva sammanslagningar? Kommer mer massiva omedelbart till svarta hål och förblir osynliga vid dessa våglängder? Hur sällsynta eller vanliga är dessa tre kategorier av sammanslagningar: vanliga neutronstjärnor, supermassiva neutronstjärnor och svarta hål? Om ett år kommer LIGO och Jungfrun att söka efter svar på dessa frågor, och teoretiker har bara ett år på sig att anpassa sina modeller till sina förutsägelser.

Vad är det som gör att gammastrålningsskurar blir så ljusa åt många håll snarare än i en kon?

Denna fråga är mycket komplex. Å ena sidan bekräftade upptäckten det som länge hade misstänkts men aldrig bevisats: att sammanslagna neutronstjärnor faktiskt producerar gammastrålningskurar. Men vi har alltid trott att gammastrålning bara avger gammastrålar i en smal konform, 10-15 grader i diameter. Nu vet vi, från positionen för sammanslagningen och magnituden av gravitationsvågorna, att gammastrålningsskurarna är 30 grader bort från vår siktlinje, men vi ser fortfarande en kraftfull gammastrålningssignal.

Naturen hos gammastrålning måste förändras. Utmaningen för teoretiker är att förklara varför dessa objekts fysik skiljer sig så mycket från vad våra modeller förutspår.

På en separat rad: hur ogenomskinliga/transparenta är tunga element?

När det kommer till de tyngsta elementen i periodiska systemet, vi vet att de till största delen inte produceras av supernovor, utan genom sammanslagningar av svarta hål. Men för att få spektra av tunga grundämnen från 100 miljoner ljusår bort, måste du förstå deras transparens. Detta inkluderar att förstå de atomära fysiska övergångarna av elektroner i atomära orbitaler i en astronomisk miljö. För första gången har vi ett medium att testa hur astronomi skär sig med atomfysik, och efterföljande observationer av sammanslagningar bör göra det möjligt för oss att också svara på frågan om opacitet och transparens.

Det är möjligt att sammanslagningar av neutronstjärnor sker hela tiden, och när LIGO når sin avsedda känslighetsnivå kommer vi att hitta dussintals sammanslagningar per år. Det är också möjligt att denna händelse var extremt sällsynt och vi kommer att ha turen att bara se en per år även efter att ha uppdaterat inställningarna. Teoretiska fysiker kommer att ägna de kommande tio åren åt att söka efter svar på frågorna som beskrivs ovan.

Astronomis framtid ligger framför oss. Gravitationsvågor är ett nytt, helt oberoende sätt att studera himlen, och genom att matcha gravitationsvåghimlar med traditionella astronomiska kartor är vi redo att svara på frågor vi inte vågade ställa för bara en vecka sedan.

Den 17 augusti 2017 registrerade laserinterferometerns gravitationsvågsobservatorium LIGO och den fransk-italienska gravitationsvågsdetektorn VIRGO gravitationsvågor från kollisionen mellan två neutronstjärnor för första gången. Ungefär två sekunder senare observerade NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope och ESA:s INTEGRAL Gamma-ray Astrophysics Laboratory en kort gammastrålning, GRB170817A, i samma område på himlen.

”Det är sällsynt att en forskare har möjlighet att bevittna början ny era i vetenskap. Det här är ett av de fallen!” - sa Elena Pian från Astrophysical Institute of Italy, författare till en av publikationerna i Natur artiklar.

Vad är gravitationsvågor?

Gravitationsvågor, skapade av rörliga massor, är markörer för de mest våldsamma händelserna i universum och uppstår när täta föremål som svarta hål eller neutronstjärnor kolliderar.

Deras existens förutspåddes redan 1916 av Albert Einstein i hans General Relativity Theory. Det var dock möjligt att upptäcka gravitationsvågor först efter hundra år, eftersom endast de mest kraftfulla av dessa vågor, orsakade av snabba förändringar i hastigheten hos mycket massiva föremål, kan registreras av moderna mottagare.

Fram till idag har fyra signaler om gravitationsvågor fångats: tre gånger registrerade LIGO enbart rymdtidens "krusningar" och den 14 september 2017 fångades gravitationsvågor för första gången av tre detektorer samtidigt (två LIGO detektorer i USA och en VIRGO-detektor i Europa).

De fyra tidigare händelserna har en sak gemensamt - de orsakas alla av sammanslagningen av par av svarta hål, vilket gör att det är omöjligt att se deras källa. Nu har allt förändrats.

Hur observatorier runt om i världen "fångade" källan till gravitationsvågor

Det gemensamma arbetet mellan LIGO och VIRGO gjorde det möjligt att placera gravitationsvågornas källa inom ett stort område av den södra himlen, flera hundra skivor i storlek fullmåne som innehåller miljontals stjärnor. Mer än 70 observatorier runt om i världen, såväl som NASA:s rymdteleskop Hubble, började observera denna del av himlen i jakt på nya strålningskällor.

Det första meddelandet om upptäckten av en ny ljuskälla kom 11 timmar senare från Swope meter-teleskopet. Det visade sig att objektet var mycket nära den linsformade galaxen NGC 4993 i stjärnbilden Hydra. Nästan samtidigt upptäcktes samma källa av ESO:s VISTA-teleskop i infrarött ljus. När natten rörde sig västerut över jordklotet observerades objektet på Hawaiiöarna av Pan-STARRS- och Subaru-teleskopen, och dess snabba utveckling noterades.

Blixten från kollisionen av två neutronstjärnor i galaxen NGC 4993 är tydligt synlig på den här bilden från rymdteleskopet Hubble. Observationer gjorda från 22 till 28 augusti 2017 visar hur den gradvis försvann. Kredit: NASA/ESA

Uppskattningar av objektets avstånd från både gravitationsvågdata och andra observationer har gett konsekventa resultat: GW170817 är på samma avstånd från jorden som galaxen NGC 4993, 130 miljoner ljusår bort. Detta gör den till den närmaste gravitationsvågskällan som någonsin upptäckts för oss, och en av de närmaste gammastrålningskällor som någonsin observerats.

Mystisk kilonova

Efter massiv stjärna exploderar som en supernova och lämnar i dess ställe en supertät kollapsad kärna: en neutronstjärna. Sammanslagningar av neutronstjärnor förklarar också till stor del korta gammastrålningskurar. Denna händelse tros åtföljas av en explosion som är tusen gånger ljusare än en typisk nova - en så kallad kilonova.

En konstnärlig representation av kollisionen mellan två neutronstjärnor i galaxen NGC 4993, som producerar en kilonova-flare och gravitationsvågor. Kredit: ESO/L. Calgada/M. Kornmesser

"Det här liknar inget annat! Objektet blev mycket snabbt otroligt ljust och började sedan snabbt blekna och övergick från blått till rött. Det här är otroligt! " – säger Ryan Foley från University of California i Santa Cruz (USA).

Den nästan samtidiga upptäckten av gravitationsvågor och gammastrålar från GW170817 väckte förhoppningar om att detta var den länge eftersökta kilonovan. Detaljerade observationer med hjälp av ESO:s instrument och rymdteleskopet Hubble har verkligen avslöjat egenskaperna hos detta objekt mycket nära teoretiska förutsägelser som gjordes för mer än 30 år sedan. Således erhölls den första observationsbekräftelsen på existensen av kilonovaer.

Det är ännu inte klart vilken typ av objekt som skapades genom sammanslagning av två neutronstjärnor: ett svart hål eller en ny neutronstjärna. Ytterligare dataanalys bör svara på denna fråga.

Som ett resultat av sammanslagning av två neutronstjärnor och explosionen av en kilonova frigörs radioaktiva tungmetaller. kemiska grundämnen, flyger iväg med en femtedel av ljusets hastighet. Under loppet av några dagar – snabbare än någon annan stjärnexplosion – ändras kilonovans färg från klarblå till mycket röd.

"Den data vi fick stämmer utmärkt överens med teorin. Det här är en triumf för teoretiker, en bekräftelse på den absoluta verkligheten av händelserna som registrerats av LIGO- och VIRGO-installationerna, och en anmärkningsvärd prestation av ESO, som lyckades få observationer av kilonovan”, säger Stefano Covino från Astrophysical Institute of Italy , författaren till en av tidningarna publicerade i Natur astronomi artiklar.

Några av elementen skjuts ut i rymden när två neutronstjärnor smälter samman. Kredit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Spektra som erhållits av instrument på ESO:s Very Large Telescope avslöjar närvaron av cesium och tellur som kastas ut i rymden genom sammanslagningar av neutronstjärnor. Dessa och andra tunga element sprids ut i rymden efter kilonovaexplosioner. Således indikerar observationer bildandet av element tyngre än järn vid kärnreaktioner i djupet av supertäta stjärnobjekt. Denna process, som kallas r-nukleosyntes, var tidigare endast känd i teorin.

Vikten av upptäckt

Upptäckten markerade gryningen av en ny era inom kosmologin: nu kan vi inte bara lyssna, utan också se händelserna som genererar gravitationsvågor! På kort sikt kommer analys av nya data att göra det möjligt för forskare att få en mer exakt förståelse av neutronstjärnor, och i framtiden kommer observationer av liknande händelser att hjälpa till att förklara den pågående expansionen av universum, kompositionen mörk energi, samt ursprunget till de tyngsta elementen i rymden.

Forskning som beskriver upptäckten presenteras i en serie tidskriftsartiklar Natur, Natur astronomi Och Astrofysiska tidskriftsbrev.

MOSKVA, 16 oktober. /TASS/. Detektorerna LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, USA) och Virgo (ett liknande observatorium i Italien) var de första som upptäckte gravitationsvågor från sammanslagning av två neutronstjärnor. Denna upptäckt tillkännagavs på måndagen under en internationell presskonferens som hölls samtidigt i Moskva, Washington och ett antal städer i andra länder.

"Forskare registrerade för första gången gravitationsvågor från sammanslagning av två neutronstjärnor, och detta fenomen observerades inte bara med laserinterferometrar som registrerar gravitationsvågor, utan också med hjälp av rymdobservatorier (INTEGRAL, Fermi) och markbaserade teleskop som registrerar elektromagnetisk strålning. Totalt observerades detta fenomen omkring 70 markbaserade och rymdobservatorier runt om i världen, inklusive MASTER-nätverket av robotteleskop (M.V. Lomonosov Moscow State University), säger presstjänsten vid Moscow State University.

När och hur registrerade du dig?

Upptäckten, som forskare rapporterade på måndagen, gjordes den 17 augusti. Sedan registrerade båda LIGO-detektorerna en gravitationssignal, kallad GW170817. Informationen från den tredje Jungfrudetektorn har avsevärt förbättrat lokaliseringen av den kosmiska händelsen.

Signaler från LIGO-detektorerna visade att de upptäckta gravitationsvågorna sändes ut av två astrofysiska objekt som roterade i förhållande till varandra och belägna på ett relativt nära avstånd - cirka 130 miljoner ljusår - från jorden. Det visade sig att föremålen var mindre massiva än de binära svarta hålen som tidigare upptäckts av LIGO och Jungfrun. Deras massor beräknades vara mellan 1,1 och 1,6 solmassor, vilket faller inom massområdet för neutronstjärnor, de minsta och tätaste stjärnorna. Deras typiska radie är bara 10-20 km.

Medan signalen från sammanslagna binära svarta hål vanligtvis låg inom känslighetsområdet för LIGO-detektorer under en bråkdel av en sekund, varade signalen som detekterades den 17 augusti cirka 100 sekunder. Ungefär två sekunder efter sammanslagning av stjärnorna inträffade en blixt av gammastrålning, som registrerades av rymd-gammastrålningteleskop.

Den snabba upptäckten av gravitationsvågor av LIGO-Virgo-teamet, i kombination med detektering av gammastrålar, möjliggjorde observationer av optiska teleskop och radioteleskop runt om i världen.

Efter att ha fått koordinaterna kunde flera observatorier börja söka inom några timmar i det område av himlen där händelsen ska ha inträffat. Den nya ljuspunkten, som liknar en nova, upptäcktes av optiska teleskop, och så småningom observerade omkring 70 observatorier på jorden och i rymden händelsen i olika våglängdsområden.

Dagarna efter kollisionen registrerades elektromagnetisk strålning inom röntgen, ultraviolett, optiskt, infrarött och radiovågsområdet.

"För första gången, i motsats till "ensamma" sammanslagningar av svarta hål, registrerades en "företags"-händelse inte bara av gravitationsdetektorer utan också av optiska och neutrinoteleskop. Detta är den första runddansen av observationer kring en händelse ", sa Sergei Vyatchanin, professor vid fakulteten för fysik vid Moskvas statliga universitet, som är en del av en grupp ryska forskare som deltog i observationen av fenomenet, ledd av Valery Mitrofanov, professor vid fysikfakulteten i Moskva. Universitet.

Teoretiker förutspår att kolliderande neutronstjärnor skulle sända ut gravitationsvågor och gammastrålar, samt bryta ut kraftfulla strålar av material, åtföljda av emission av elektromagnetiska vågor i ett brett frekvensområde.

Den detekterade gammastrålningen är en så kallad kort gammastrålning. Tidigare förutspådde forskare bara att korta gammastrålar genereras under sammanslagning av neutronstjärnor, men nu har detta bekräftats av observationer. Men trots att källan till den detekterade korta gammastrålningen var en av de närmaste jorden som hittills setts, var själva skuren oväntat svag för ett sådant avstånd. Nu måste forskare hitta en förklaring till detta faktum.

Med ljusets hastighet

"YouTube/Georgia Tech"

"I alla tidigare fall var källan till gravitationsvågor sammanslagna svarta hål. Paradoxalt nog är svarta hål mycket enkla föremål som uteslutande består av krökt utrymme och är därför fullständigt beskrivna av de välkända lagarna för allmän relativitet. Samtidigt strukturen hos neutronstjärnor och i synnerhet tillståndsekvationen för neutronmateria är fortfarande exakt okänd. Därför kommer vi att studera signaler från sammanslagna neutronstjärnor att vi kan få en enorm mängd ny information även om egenskaperna hos supertät materia under extrema förhållanden ", sa Farit Khalili, professor vid fakulteten för fysik vid Moscow State University, som också är en del av Mitrofanovs grupp.

Tunga elementfabrik

Teoretiker förutspådde att sammanslagningen skulle ge en "kilonova". Detta är ett fenomen där material som blir över från en kollision med neutronstjärnor lyser starkt och kastas ut från kollisionsområdet långt ut i rymden. Detta skapar processer som skapar tunga grundämnen som bly och guld. Observationer efter glödet av en neutronstjärnefusion gör det möjligt att få ytterligare information om de olika stadierna av denna sammanslagning, om interaktionen mellan det resulterande objektet och miljö och om de processer som producerar de tyngsta elementen i universum.

"Under fusionsprocessen registrerades bildningen av tunga grundämnen. Därför kan vi till och med tala om en galaktisk fabrik för produktion av tunga grundämnen, inklusive guld - trots allt är det denna metall som intresserar jordbor mest av allt. Forskare är börjar föreslå modeller som skulle förklara de observerade parametrarna för denna sammanslagning,” - noterade Vyatchanin.

Om LIGO-LSC-samarbetet

Det vetenskapliga samarbetet LIGO-LSC (LIGO Scientific Collaboration) samlar mer än 1 200 forskare från 100 institut olika länder. LIGO-observatoriet byggs och drivs av California Institute of Technology och Massachusetts Institute of Technology. LIGO:s partner är Virgo-samarbetet, som sysselsätter 280 europeiska forskare och ingenjörer från 20 forskargrupper. Jungfrudetektorn finns nära Pisa (Italien).

Två forskarlag från Ryssland deltar i LIGO Scientific Collaboration-forskning: en grupp från Moskvas fysikfakulteten statliga universitetet uppkallad efter M.V. Lomonosov och gruppen av Institutet för tillämpad fysik RAS ( Nizhny Novgorod). Forskning stöds Ryska stiftelsen grundforskning och Russian Science Foundation.

LIGO-detektorer upptäckte först gravitationsvågor från kollisioner med svarta hål 2015, och upptäckten tillkännagavs vid en presskonferens i februari 2016. År 2017 pristagare Nobelpriset i fysik var de amerikanska fysikerna Rainer Weiss, Kip Thorne och Berry Barish för deras avgörande bidrag till LIGO-projektet, såväl som "observationer av gravitationsvågor."

LIGO-Jungfru-samarbetet, tillsammans med astronomer från 70 observatorier, tillkännagav idag observationen av sammanslagning av två neutronstjärnor i gravitations- och elektromagnetiska områden: de såg en gammastrålning, såväl som röntgenstrålning, ultraviolett, synlig, infraröd och radiostrålning.

Illustration av en neutronstjärnakollision. En smal diagonal emission är en ström av gammastrålar. Glödande moln runt stjärnor - källa synligt ljus, som observerades av teleskop efter sammanslagningen. Kredit: NSF/LIGO/Sonoma State University/Aurore Simonnet

Den kombinerade observationen av en gammastrålning, gravitationsvågor och synligt ljus gjorde det möjligt att bestämma inte bara den region på himlen där händelsen inträffade, utan även galaxen NGC 4993 som stjärnorna tillhörde.

Bestämning av plats på himlen med hjälp av olika detektorer

Vad kan vi säga om neutronstjärnor?

Astronomer har observerat korta utbrott av gammastrålar i många decennier, men vet inte exakt hur de uppstår. Huvudantagandet var att denna explosion var resultatet av en neutronstjärnesfusion, och nu har observationen av gravitationsvågor från denna händelse bekräftat teorin.

När neutronstjärnor kolliderar smälter det mesta av deras material samman till ett supermassivt föremål och avger ett "eldklot" av gammastrålar (den korta gammastrålningen detekterade två sekunder efter gravitationsvågorna). Efter detta uppstår den så kallade kilonovan, när den materia som finns kvar efter kollisionen av neutronstjärnor förs bort från kollisionsplatsen och avger ljus. Observation av spektrumet av denna strålning gjorde det möjligt att fastställa att tunga grundämnen som guld föds just som ett resultat av kilonovaer. Forskare observerade efterglöden i veckor efter händelsen och samlade in data om processerna som inträffade i stjärnorna, och detta var den första pålitliga observationen av en kilonova.

Neutronstjärnor är supertäta föremål som bildas efter en supernovaexplosion. Trycket i en stjärna är så högt att enskilda atomer inte kan existera, och inuti stjärnan finns en flytande "soppa" av neutroner, protoner och andra partiklar. För att beskriva en neutronstjärna använder forskare en tillståndsekvation som relaterar materiens tryck och densitet. Det finns många möjliga tillståndsekvationer, men forskare vet inte vilka som är korrekta, så gravitationsobservationer kan hjälpa till att lösa frågan. Vid denna tidpunkt ger den observerade signalen inget definitivt svar, men det hjälper till att ge intressanta uppskattningar av stjärnans form (vilket beror på den andra stjärnans gravitationsattraktion).

En intressant upptäckt var att den observerade korta gammastrålningen är närmast jorden, men samtidigt för svag för ett sådant avstånd. Forskare har föreslagit flera möjliga förklaringar: kanske gammastrålen var ojämn i ljusstyrka, eller så såg vi bara kanten av den. Frågan uppstår i alla fall: tidigare hade astronomer inte antagit att sådana svaga skurar kunde lokaliseras så nära, och kunde de då ha missat samma svaga skurar, eller felaktigt tolkat dem som mer avlägsna? Kombinerade observationer i gravitations- och elektromagnetiska områden kan hjälpa till att ge ett svar, men på denna nivå av detektorkänslighet kommer sådana observationer att vara ganska sällsynta - i genomsnitt 0,1-1,4 per år.

Förutom gravitations- och elektromagnetisk strålning sänder neutronstjärnor ut neutrinoströmmar under sammanslagningsprocessen. Neutrino-detektorer arbetade också för att leta efter dessa flöden från händelsen, men upptäckte ingenting. Sammantaget var detta resultat förväntat - som med en gammastrålning är händelsen för svag (eller så ser vi den i hög vinkel) för att detektorer ska kunna se den.

Gravitationsvågornas hastighet

Eftersom gravitationsvågorna och ljussignalen härstammar från samma källa med mycket hög sannolikhet (5,3 sigma), och den första ljussignalen anlände 1,7 sekunder efter gravitationssignalen, kan vi begränsa gravitationsvågornas utbredningshastighet med mycket hög noggrannhet . Om man antar att ljuset och gravitationsvågorna emitterades samtidigt, och fördröjningen mellan signalerna berodde på att gravitationen var snabbare, kan en övre gräns erhållas. En lägre uppskattning kan erhållas från modeller för sammanslagningar av neutronstjärnor: anta att ljuset sänds ut 10 sekunder efter gravitationsvågorna (då borde alla processer ha slutförts) och kom ikapp gravitationsvågorna när det nådde jorden. Som ett resultat är gravitationshastigheten lika med ljusets hastighet med stor precision

För en lägre uppskattning kan du använda en stor fördröjning mellan emissioner, och till och med anta att ljussignalen sänds ut först, vilket kommer att minska noggrannheten proportionellt. Men även i det här fallet är uppskattningen extremt korrekt.

Genom att använda samma kunskap om fördröjningen mellan signaler kan du avsevärt öka noggrannheten för uppskattningar för Lorentz-invarians (skillnaden mellan beteendet hos gravitation och ljus under Lorentz-transformationen) och ekvivalensprincipen.

Forskare mätte Hubble-konstanten på ett annat sätt - genom att observera parametrarna för den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen på Planck-teleskopet, och fick ett annat värde för Hubble-konstanten, vilket inte stämmer överens med SHoES-mätningarna. Denna skillnad är för stor för att vara statistisk, men orsakerna till diskrepansen i skattningarna är ännu inte kända. Därför är en oberoende mätning nödvändig.

Sannolikhetsfördelning för Hubble-konstanten med hjälp av gravitationsvågor (blå). Den streckade linjen indikerar intervallen 1σ och 2σ (68,3 % och 95,4 %). Som jämförelse visas 1σ- och 2σ-intervallen för tidigare uppskattningar: Planck (grön) och SHOES (orange), som inte konvergerar med varandra.

I det här fallet spelar gravitationsvågor rollen som standardljus (och kallas standardsirener). Genom att observera signalens amplitud på jorden och simulera dess amplitud vid källan kan man uppskatta hur mycket den har minskat och därigenom veta avståndet till källan – oavsett eventuella antaganden om Hubble-konstanten eller tidigare mätningar. Observation av ljussignalen gjorde det möjligt för oss att bestämma galaxen där paret neutronstjärnor befann sig, och hastigheten för borttagningen av denna galax var välkänd från tidigare mätningar. Förhållandet mellan hastighet och avstånd är Hubble-konstanten. Det är viktigt att en sådan uppskattning är helt oberoende av tidigare uppskattningar eller den kosmiska avståndsskalan.

En mätning räckte inte för att lösa mysteriet med skillnaderna i Planck- och SHoES-uppskattningarna, men överlag är uppskattningen redan i god överensstämmelse med de kända värdena. Med tanke på att tidigare uppskattningar baseras på statistik som samlats in under många år är detta ett mycket betydande resultat.

Lite om LIGO och glitches

Den övre panelen visar felet i LIGO-Livingston-data, och visar också tydligt förekomsten av chirp. Den nedre panelen visar den dimensionslösa oscillationsamplituden, "töjning" (mängden vi använder för att beskriva signalstyrkan i LIGO och Jungfrun) vid ögonblicket för felet. Detta är en kort
(varar bara ca 1/4 sekund) men en mycket stark signal. Dämpning minskar felet till nivån för den orange kurvan, som visar nivån av bakgrundsljud som alltid finns i LIGO-detektorer.

Endast en av LIGOs detektorer såg signalen i automatiskt läge, eftersom ett fel inträffade vid Livingston-detektorn vid tidpunkten för händelsen. Denna term hänvisar till en brusskur som liknar sprängningen av statisk elektricitet i en radiomottagare. Även om gravitationsvågssignalen var tydligt synlig för det mänskliga ögat, skär automatiseringen av sådana data. Därför var det nödvändigt att rensa felet från signalen innan data kunde användas av detektorn. Fel uppstår i detektorer hela tiden - ungefär en gång varannan timme. Forskare klassificerar dem efter form och varaktighet och använder denna kunskap för att förbättra detektorer. Du kan hjälpa dem att göra detta med GravitySpy-projektet, där användare söker efter och klassificerar fel i LIGO-data för att hjälpa forskare.

Obesvarade frågor

Kända svarta hål, neutronstjärnor och deras sammanslagning. Det finns ett område med medelstora massor där vi inte vet något om förekomsten av kompakta föremål. Kredit: LIGO-Jungfrun/Northwestern/Frank Elavsky

Vi upptäckte gravitationsvågor från två kompakta föremål, och observationen av elektromagnetisk strålning tyder på att en av dem var en neutronstjärna. Men det andra kan också vara ett svart hål med låg massa, och även om ingen har sett sådana svarta hål tidigare, kan de teoretiskt existera. Det är inte möjligt att med säkerhet avgöra från observationen av GW170817 om det var en kollision av två neutronstjärnor, även om det är mer troligt.

Den andra intressanta punkten: vad blev detta objekt efter sammanslagningen? Det kan bli antingen en supermassiv neutronstjärna (den mest massiva kända) eller det lättaste kända svarta hålet. Tyvärr finns det inte tillräckligt med observationsdata för att svara på denna fråga.

Slutsats

Att observera en sammanslagning av neutronstjärnor i alla våglängder är en fantastiskt rik fysikhändelse. Mängden data som forskare erhöll på bara dessa två månader gjorde det möjligt för dem att förbereda flera dussin publikationer, och det kommer att bli mycket mer när uppgifterna blir allmänt tillgängliga. Neutronstjärnornas fysik är mycket rikare och mer intressant än de svarta hålens fysik - vi kan direkt testa fysiken för materiens supertäta tillstånd, såväl som kvantmekaniken under förhållanden med starka gravitationsfält. Denna unika möjlighet kan hjälpa oss att äntligen hitta ett samband mellan generell relativitetsteori och kvantfysik, som har gäckat oss hittills.

Denna upptäckt visar återigen hur viktigt det gemensamma arbetet av många samarbeten mellan tusentals människor är i modern fysik.

Reddit AMA

Traditionellt svarar LIGO-forskare på användarfrågor på Reddit, jag rekommenderar det starkt!
Detta kommer att ske från 18:00 Moskva-tid den 17 och 18 oktober. Länken till evenemanget kommer att finnas tillgänglig vid starttiden.

allmän relativitetsteori

hubble teleskop

planck teleskop

Lägg till taggar