В 2017 году мы впервые и единственный раз увидели гравитационные волны при слиянии нейтронных звезд. И становится все интереснее.
17 августа 2017 года на Землю прибыл космический сигнал, который навсегда изменил наше представление о Вселенной. Более 100 миллионов лет назад две нейтронные звезды, сцепившиеся вместе в далекой галактике NGC 4993, закончили движение по спирали и слились вместе, вызвав колоссальный космический взрыв. Это событие теперь известно как килонова, и считается, что оно ответственно за создание самых тяжелых элементов, присутствующих во Вселенной.
Вдохновение и слияние создали два сигнала, которые мы смогли обнаружить практически одновременно: гравитационные волны, обнаруживаемые с помощью LIGO и Virgo, и электромагнитное излучение, или свет, во всем наборе длин волн, которые мы можем обнаружить. наблюдать. Но излучается и кое-что еще: материя. Сегодня в новой статье, опубликованной в журнале Science, ученые установили, что возникла огромная струя, которая все еще движется почти со скоростью света.
Неудивительно, что подобное событие привело к чему-то столь энергичному. Сами по себе нейтронные звезды - одни из самых экстремальных объектов, которые только можно себе представить. Представьте себе, что вы берете объект такой же массы, как Солнце или даже больше, и сжимаете его в шар размером с крупный город, такой как Чикаго. Это было бы похоже на одно огромное атомное ядро, где внутренние 90% - это просто шар твердых нейтронов, отсюда и название: нейтронная звезда.
Сами по себе нейтронные звезды могут вращаться так быстро - примерно до двух третей скорости света - , что создают самые большие известные магнитные поля во Вселенной: в сотни миллионов раз сильнее, чем любой магнит на Земле и в квадриллион раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Насколько нам известно, если сделать нейтронную звезду еще плотнее, она схлопнется в черную дыру.
То, что мы наблюдали в 2017 году, было еще более впечатляющим, чем нейтронная звезда сама по себе: мы наблюдали спираль и слияние двух таких объектов. Мы знаем, что до того, как произошло слияние, две нейтронные звезды, каждая из которых немного массивнее нашего Солнца, находились на двойной орбите. Когда они двигались вокруг общего центра масс, они излучали гравитационные волны, излучая энергию, поскольку их орбиты становились все теснее и быстрее.
В последние мгновения это излучение увеличилось как по амплитуде, так и по частоте, а затем они достигли самого критического момента: их поверхности соприкоснулись. За крошечную долю секунды их плотность превысила критический порог, и там, где они соприкасались друг с другом, произошла неконтролируемая ядерная реакция. Внезапно произошло событие, известное как килонова.
Менее чем через две секунды после того, как гравитационные волны достигли своего пика, в электромагнитном спектре был замечен всплеск: гамма-обсерватория Ферми НАСА. Это событие, известное как гамма-всплеск, было первым событием, связанным со слиянием нейтронных звезд и нейтронных звезд.
Всплеск, возможно, был недолгим, как в гравитационных волнах, так и в гамма-излучении, но полученные нами сигналы были впечатляюще информативными. Почти сразу мы узнали:
- какими были массы (около 1,3 Солнца) и расстояния (около 130 миллионов световых лет) нейтронных звезд,
- то, чем они стали после слияния (быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая меньше чем за секунду превратилась в черную дыру),
- сколько массы стало черной дырой (около 95%),
- и что случилось с остальной массой (она стала самыми тяжелыми элементами таблицы Менделеева, включая золото, платину, уран и плутоний).
Но мы еще не закончили. Еще было послесвечение, которое стало видно в телескопы всех длин волн по всему миру. Рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радиотелескопы наблюдали за этим первым в своем роде событием, непрерывно наблюдая за ним в течение нескольких недель подряд. Послесвечение, когда мы переходили на все более и более длинные волны, со временем становилось ярче, а затем исчезало на большинстве частот, на которые мы могли смотреть.
Мы смогли количественно оценить производство различных элементов. Например, было создано около 10⁴⁶ атомов золота, или в десять квадриллионов раз больше, чем мы добыли за всю историю человечества. Мы узнали, что две нейтронные звезды возникли около 11+ миллиардов лет назад и с тех пор вдохновляли, вплоть до момента их слияния. Мы узнали, что большинство самых тяжелых элементов во Вселенной образуются в результате столкновений нейтронных звезд, подобных этому.
Но мы еще не закончили. Несмотря на то, что сигналы затухали во всем электромагнитном спектре, оставалось еще много научных исследований. Большая часть света исходила от радиоактивных распадов вещества, которое было введено в межзвездную среду вокруг точки столкновения, и, как и следовало ожидать от всего, что имеет период полураспада, большинство распадов произошло на ранней стадии, и быстро упал.
Но затем, через несколько недель после столкновения, произошло повторное появление как рентгеновских лучей, так и радиоволн, и этот усиленный новый сигнал длился несколько месяцев. Первоначально предполагалось, что в результате столкновения был выброшен материал, который врезался в газ, который уже существовал в межзвездной среде. Это взаимодействие обеспечило инъекцию энергии, по ходу мысли, и это было ответственно за повторное появление свечения, которое ранее угасало.
В лучших примерах науки мы не просто выдвигаем вероятное объяснение и считаем дело закрытым. Мы ищем дополнительную информацию, чтобы проверить наши идеи и определить, выдерживают ли они критику или нет. Какими бы мощными и продвинутыми ни были наши лучшие теории, мы обязательно должны сопоставлять их с экспериментальными данными или данными наблюдений, иначе мы вообще не занимаемся наукой.
Самое впечатляющее в только что опубликованном новом исследовании заключается в том, что оно содержит фантастический набор данных. Используя группу из 32 отдельных радиотелескопов, разбросанных по 5 континентам и производя одновременные наблюдения за одними и теми же объектами, ученые смогли наблюдать радиопослесвечение, как никогда раньше. Применяя метод интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) с таким ярким источником, как этот, они достигли беспрецедентного разрешения.
Разрешение - это то, что вам нужно, если вы хотите определить форму или конфигурацию удаленного источника во Вселенной. Как правило, вы получаете лучшее разрешение, строя телескоп большего размера, так как количество длин волн света, проходящих через него, определяет угловой размер того, что вы можете разрешить.
Но, используя метод VLBI, вы можете добиться еще большего успеха, если ваш источник достаточно яркий. Конечно, вы получите светосилу, равную размеру ваших отдельных тарелок, но вы можете получить разрешение расстояния между различными телескопами. Это метод, который Телескоп горизонта событий использует для построения своего первого изображения горизонта событий черной дыры, и именно этот метод позволил астрономам определить форму того, что получилось после слияния нейтронных звезд и нейтронных звезд.
Под руководством Джанкарло Гирланды были объединены данные за колоссальные 207 дней, что позволило астрономам увидеть, что было создано с течением времени.
Результат был впечатляющим: слияние образовало структурированную струю материала, которая разлетелась от точки столкновения по двум антипараллельным линиям. В то время как многие ученые ожидали, что будет какая-то коконообразная форма или что-то, что будет ограничивать любые производимые струи, данные свидетельствовали об обратном. Вместо этого эта структурированная струя пробила весь материал, выброшенный при слиянии, и продолжила стремительно уходить в межзвездное пространство почти со скоростью света. Как будто ничто не могло его замедлить.
Как можно сделать такой самолет? Мы видели их только из одного другого источника: из черных дыр, питающихся материей. Это должно быть подсказкой, которая решает головоломку! Дело не в том, что само слияние создало струю, а в том, что завершенное слияние произвело черную дыру, и эта вращающаяся черная дыра ускорила материю вокруг себя, создав струи, которые мы видели впоследствии. Это объясняет, почему произошло затемнение, за которым последовало второе осветление, а также объясняет коллимированную структуру и фантастически большие энергии и скорости. Без центральной черной дыры это невозможно сделать.
Это, пожалуй, долгожданное доказательство того, что эти слияния нейтронных звезд, наблюдавшиеся в 2017 году, должны были породить черную дыру. Основываясь на нашем нынешнем понимании Вселенной, мы не можем быть более уверены.
В науке иногда самые лучшие результаты - это те, которых вы не ожидали. Возможно, мы ожидали, что слияние нейтронных звезд создаст самые тяжелые элементы из всех, но никто не видел, что после этого из черной дыры должна появиться структурированная струя. И все же мы здесь, пожинаем дары Вселенной. Это напоминание из космоса: в тот день, когда мы прекратим наши научные исследования, мы перестанем раскрывать тайны, лежащие в основе нашего существования.