Первое наблюдение слияния нейтронных звезд

Астрономы впервые смогли увидеть источник гравитационных волн в оптическом диапазоне. Этим источником стала килоновая  –  взрывное слияние двух нейтронных звезд.

17 августа 2017 года лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO в США совместно с установкой «Virgo Interferometer» в Италии зарегистрировала гравитационные волны, пришедшие на Землю из космоса. Эта пятая по счету регистрация гравитационных волн получила обозначение GW170817. Спустя примерно две секунды две космических обсерватории, гамма-телескоп Ферми (NASA) и астрофизическая гамма-лаборатория Европейского космического агентства (ESA) INTEGRAL, наблюдали короткий гамма-всплеск в той же области неба. 

Гамма-всплеск – непродолжительный мощный сигнал электромагнитного излучения в гамма диапазоне, свидетельствующий о каком-то грандиозном космическом событии, сопровождавшемся выбросом огромного количества энергии. О том, что слияние черных дыр или нейтронных звезд, порождающее гравитационные волны, должно приводить к гамма-всплеску, астрофизики предполагали давно. И вот, наконец, они получили возможность сопоставить источники обоих типов излучений.

Наблюдения на установках LIGO–Virgo позволили определить местоположение источник гравитационных волн в пределах обширного участка южного неба размером в несколько сотен дисков полной Луны, содержащего миллионы звезд (площадь области около 35 квадратных градусов). Как только в Чили наступила ночь, многочисленные телескопы Европейской южной обсерватории (ESO) принялись наблюдать этот район неба в поисках новых источников излучения. Первое сообщение об обнаружении нового источника света поступило с оптического метрового телескопа Swope, который обнаружил объект вблизи линзообразной галактики NGC 4993 в созвездии Гидры. Почти одновременно тот же источник был зарегистрирован телескопом VISTA в инфракрасных лучах. После того, как ночь продвинулась по земному шару на запад, объект увидели телескопами Pan-STARRS и Subaru, на Гавайских островах, причем была замечена его быстрая эволюция.

Астрономы ESO начали одну из крупнейших за всю историю обсерватории внеплановых наблюдательных кампаний. Многочисленные телескопы обсерватории и ее партнеров непрерывно следили за новым событием и его последствиями в широком диапазоне длин волн на протяжении нескольких недель после его открытия. К сожалению, эту галактику можно было наблюдать только в вечернее время в августе; в сентябре она оказалась на небе слишком близко к Солнцу и стала ненаблюдаемой. К наблюдениям подключились и примерно 70 обсерваторий по всему миру, в том числе Космический телескоп Хаббла (NASA/ESA).

Оценки расстояния до объекта, полученные как из гравитационно-волновых данных, так и из других наблюдений, дали согласующиеся результаты: GW170817 находится на том же расстоянии от Земли, что и галактика NGC 4993, то есть в 130 миллионах световых лет. Таким образом, это ближайший к нам из всех обнаруженных источников гравитационных волн и один из ближайших когда-либо наблюдавшихся источников гамма-всплесков.

Гравитационные волны порождаются любыми определенным образом ускоренно движущимися массами. Но только самые мощные из этих волн, обусловленные быстрыми изменениями скорости очень массивных объектов, могут быть зарегистрированы современными приемниками. В данном случае астрофизики предположили, что речь идет о слиянии нейтронных звезд. Поскольку именно этот процесс по современным представлениям в основном и порождает короткие гамма-всплески. 

После того, как массивная звезда взрывается в виде сверхновой, на ее месте остается сверхплотное сжавшееся (сколлапсировавшее) ядро – нейтронная звезда. Поскольку массы нейтронных звезд в целом меньше, чем у черных дыр, их слияния порождают более слабые гравитационные волны, чем слияния черных дыр, которые, вероятно, и привели к первым четырем случаям регистрации гравитационных волн. В этом же случае наблюдения оказались возможными благодаря близости сливающихся нейтронных звезд к Земле.

Слияние двух нейтронных звезд должно сопровождается взрывом в тысячу раз более ярким, чем в случае типичной новой звезды. Поэтому его назвали килоновой. Почти одновременная регистрация гравитационных волн и гамма-лучей от GW170817 породила надежду на то, что это и есть давно разыскиваемая килоновая. И наблюдения на инструментах ESO действительно обнаружили у этого объекта свойства, очень близкие к теоретическим предсказаниям, сделанным уже более 30 лет назад. В частности, там происходит выброс радиоактивных тяжелых химических элементов, разлетающихся со скоростью в одну пятую скорости света. В течение нескольких дней -- быстрее, чем при любом другом звездном взрыве --цвет килоновой меняется от ярко-голубого к очень красному. 

Полученные на Очень большом телескопе (VLT ESO, Very Large Telescope) спектры показывают присутствие цезия и теллура, выброшенных в пространство. Эти и другие тяжелые элементы, такие как золото и платина, рассеиваются в космосе после взрывов килоновых. Таким образом, наблюдения указывают на формирование элементов тяжелее железа при ядерных реакциях в недрах сверхплотных звездных объектов. Этот процесс, называемый r-нуклеосинтезом, раньше был известен только в теории. Теперь есть первое наблюдательное подтверждение существования килоновых. Одновременно получены самые веские на сегодняшний день доказательства того, что кратковременные гамма-всплески обусловлены слияниями нейтронных звезд. 

Пока что данные хорошо согласуются с теорией. Это можно считать триумфом теоретиков и подтверждением абсолютной реальности событий, зарегистрированных установками LIGO–VIRGO. Это и замечательное достижение ESO, которой удалось выполнить подробные наблюдения килоновой.
Результаты исследований представлены в шести статьях, публикуемых в журналах Nature, Nature Astronomy и Astrophysical Journal Letters.

По материалам Европейской южной обсерватории (ESO)