Столкновение нейтронных звезд: российский вклад
О регистрации сигналов от слияния пары нейтронных звезд было широко объявлено 16 октября 2017 года. Значимый вклад в эту работу внесли российские физики и астрономы.
Первой регистрации сигналов от слияния пары нейтронных звезд (см. https://www.nkj.ru/news/32351/ ) и предварительных результатах их исследования было посвящено несколько пресс-конференций, две из них прошли в Институте космических исследований (ИКИ) РАН и в Государственном астрономическом институте имени П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ.
17 августа 2017 года детектор на лазерном интерферометре LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, США) обнаружил гравитационные волны, а спустя пару секунд космические обсерватории «Интеграл» (ЕКА) и «Ферми» (НАСА) зафиксировали короткие гамма-вспышки. Однако размер участка неба, откуда пришёл сигнал, составил около сотни квадратных градусов, что слишком много для более точных наблюдений. С помощью второго гравитационно-волнового детектора Virgo (Франция, Италия) удалось значительно сузить эту область, что позволило подключить к поиску источника сигнала наземные и космические телескопы.
Источник был найден примерно через 11 часов независимо шестью разными группами на окраине яркой эллиптической галактики NGC 4993. После чего новый космический объект GRB170817A, засверкавший в сорока мегапарсеках от Земли, стали наблюдать десятки обсерваторий и телескопов по всему миру во всех спектрах электромагнитного излучения - гамма-, рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом, инфракрасном и радиоизлучении.
В этих наблюдениях приняли участие российские астрономы из ИКИ РАН, входящие в состав международной рабочей группы космической обсерватории «Интеграл» (научный руководитель со стороны России академик Рашид Алиевич Сюняев), ГАИШ МГУ, использовавшие российскую сеть телескопов-роботов «МАСТЕР», а также исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, наблюдавшие гамма излучение с помощью разработанного ими гамма-спектрометра «Конус», установленного на американском спутнике GGS WIND.
Владимир Липунов, специалист по нейтронным звездам и один из организаторов глобальной сети роботов-телескопов МАСТЕР, рассказал на пресс-конференции в ГАИШ, что первым начал поиск телескоп сети в Южной Африке, затем на Канарских островах и в Аргентине. Первые снимки удалось получить через 10 часов и 22 минуты после вспышки. Через час аргентинский сорокасантиметровый телескоп в автоматическом режиме обнаружил новый объект в галактике NGC 4993. За наличие большого числа тяжелых элементов обнаруженных в полученных спектрах Липунов назвал новый объект «космическим Чернобылем».
Наблюдения всплесков проводили и сотрудники группы быстропеременных источников ИКИ РАН под руководством Алексея Позаненко на телескопах сети IKI Gamma-Ray Burst Follow up Network, развернутой на обсерваториях России, СНГ и других стран. В частности, наблюдения велись в российской обсерватории Chilescope, расположенной в чилийских Андах. Проанализировав совместно оптические и гамма- данные, сотрудники группы предложили модель, объясняющую основные характеристики регистрируемого излучения. Процесс состоит из двух этапов с совершенно разными спектрами. Первый связан с выходом релятивистской струи частиц (джета) на поверхность оболочки, созданной звёздным ветром от аккреционного диска. Он прогревает оболочку в области выхода, и тепловое излучение оболочки формирует второй этап. После выхода из оболочки джет принимает форму узкого конуса, который направлен в сторону от Земли и наши детекторы видят лишь свечение от его взаимодействия с веществом вокруг слившихся нейтронных звёзд.
Наземные и космические телескопы в течение нескольких десятков дней следили за этим объектом. Удалось подтвердить, что источник, получивший при открытии имя SSS17a, действительно имеет отношение к слиянию двух нейтронных звёзд и короткому гамма-всплеску. А оптическое излучение, которое удалось зарегистрировать, соответствует так называемой килоновой — явлению, сопровождающему короткие гамма-всплески, связанному с радиоактивным распадом выброшенного при взрыве вещества, и открытому в 2013 году. Астрономы получили экспериментальное доказательство справедливости теории образования коротких гамма-вспышек.
Результаты наблюдений с помощью «Интеграла» дали возможность проверки постулатов общей теории относительности. В частности, подтверждены принцип эквивалентности сил гравитации и инерции и то, что скорость распространения гравитационных волн с хорошей точностью соответствует скорости света.
Это исследование означает рождение гравитационно-волновой астрономии, которая даст нам новые сведения об устройстве Вселенной. Структура нейтронных звезд, уравнение состояния нейтронной материи до сих пор точно неизвестны. Поэтому изучение сигналов от сливающихся нейтронных звезд позволит получить огромное количество новой информации также и о свойствах сверхплотной материи в экстремальных условиях. В процессе слияния обнаружено образование тяжелых элементов. Поэтому можно говорить даже о галактической фабрике по производству тяжелых элементов.
Академик РАН Владислав Пустовойт, который в 1962 году вместе с Михаилом Герценштейном впервые предложил использовать лазерную интерферометрию для регистрации гравитационных волн, считает, что надо идти дальше: «Лично я испытываю большое удовлетворение от того, что спустя более полувека та идея, которая была высказана и опубликована мной в 1962 году, реализована на практике, на это ушло лет сорок. Что нас ожидает в будущем? Да, это открытие – новая астрономия, новое окно во Вселенную, но все-таки надо искать искусственные методы возбуждения и приема гравитационных волн. Если это удастся сделать в ближайшие пятьдесят лет, то это, действительно, будет революция. Потому что гравитационные волны, в отличие от электромагнитных, могут распространяться беспрепятственно почти с такой же скоростью и переносить информацию».
Для справки:
«Интеграл» - орбитальная обсерватория гамма-лучей - проект Европейского космического агентства с участием России и НАСА. «Интеграл» был выведен в космос 17 октября 2002 года с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя «Протон», поэтому российские ученые получили право на 25% наблюдательного времени обсерватории и с её помощью получили целый ряд важнейших научных открытий и результатов. Научный руководитель проекта со стороны России - главный научный сотрудник ИКИ РАН академик Рашид Сюняев.
Пресс-конференция в ИКИ РАН состоялась накануне юбилея орбитальной обсерватории «Интеграл», сыгравшей важную роль в новом открытии. За 15 лет работы астрономы с ее помощью открыли несколько сотен новых источников, «скрытых» черных дыр, составили карты галактики в ядерных линиях и разгадали природу рентгеновского «хребта» Галактики, открыли линии титана и кобальта в сверхновых, ультраслабые гамма-всплески и многое другое.
МАСТЕР (Мобильная Астрономическая Система ТЕлескопов-Роботов) — глобальная сеть телескопов-роботов, созданная в МГУ под руководством профессора Владимира Липунова. Основная цель - создание обзора всего видимого неба, получаемого в течение одной ночи. Задачи: поиск темной материи посредством открытия и фотометрии сверхновых, поиск экзопланет, мониторинг космического мусора, открытие малых тел в Солнечной системе. Все телескопы МАСТЕР способны наблюдать оптическое излучение гамма-всплесков синхронно и автономно выбирать стратегию обзора неба, обрабатывать потоки данных порядка нескольких терабайт в сутки в режиме реального времени, составлять и отправлять научные телеграммы.
«Конус - WIND» – российско-американский эксперимент по исследованию космических гамма-всплесков проводится на американском космическом аппарате «WIND» с ноября 1994 года с помощью научной аппаратуры КОНУС, разработанной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Орбита космического аппарата расположена вне магнитосферы Земли, что обеспечивает возможность непрерывных наблюдений всей небесной сферы, при стабильном радиационном фоне в отсутствии помех от радиационных поясов и затенения Землей. Эксперимент «Конус - WIND» через сеть IPN участвует в научной коллаборации по поиску сигналов, коррелированных с сигналами гравитационных волн.
В создании лазерного интерферометра детектора гравитационных волн LIGO принимали участие исследователи из физического факультета МГУ (до последнего времени группой руководил один из пионеров гравитационно-волновых исследований член-корреспондент РАН Владимир Брагинский, сегодня ее возглавляет профессор Валерий Митрофанов) и Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) во главе с новым президентом РАН Александром Сергеевым.
Сотрудники группы Брагинского – Митрофанова изготовили незатухающий более пяти лет маятник на кварцевых нитях, предсказали нежелательные явления параметрической неустойчивости, изучили распространение электростатических зарядов на пробных массах и ограничения чувствительности детекторов из-за тепловых колебаний. Они предложили схему лазерного интерферометра, в которой преодолевается так называемый стандартный квантовый предел. Нижегородцы приняли участие в создании лазерной системы.
