Столкновение двух нейтронных звёзд, "преобразует" понимание Вселенной

Окт 16, 2017 Леонид Гляделов

Ученые впервые стали свидетелями крушения двух сверхплотных нейтронных звезд. Подобные катаклизмы породили по меньшей мере половину золота во Вселенной. Возбужденные этим открытием исследовательские группы рассказали об этом в понедельник.

Ударные волны и световые вспышки, излучаемые космическим огненным шаром, путешествовали около 130 миллионов световых лет, и были захвачены земными детекторами 17 августа. Об этом открытии рассказали одновременно на различных пресс-конференциях по всему миру и десяток научных работ были опубликованы в ведущих научных журналах.

"Мы стали свидетелями того, как перед нашими глазами разворачивалась история: приближались две нейтронные звезды, приближались... Оборачиваясь все быстрее и быстрее вокруг друг друга, а затем сталкивались", рассказал первооткрыватель Бенуа Мур из исследовательского института CNRS (Национальный центр научных исследований) Франции.

Новаторское наблюдение решило ряд физических загадок и послало дрожь предвкушения во всё научное сообщество.

"Теперь совершенно понятно, что значительная часть, может быть половина, а может и больше, из тяжелых элементов во Вселенной являются фактически производными от такого рода столкновений", - сказал физик Патрик Саттон, сотрудник лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (ЛИГО), которые способствовали этому открытию.
Нейтронные звезды-это сгоревшие сердечники, которые остаются, когда у огромных звезд кончается топливо, взрываются и умирают.Около 20 километров (12 миль) в диаметре, с чуть большей массой, чем наше солнце, они высокорадиоактивные и ультра-плотные—горстка материала весит столько, сколько гора Эверест.

Теоретики предложили решение этой удивительной ситуации: инфлатон может быть совершенно новой частицей со свойствами бозона Хиггса, но с меньшей массой. В квантовой механике идентичные характеристики заставляют частицы колебаться - они циклически трансформируются друг в друга. Созданная таким образом модель инфляции имела бы только один параметр, описывающий частоту колебаний / трансформаций между инфлатоном и бозоном Хиггса.

17 августа в созвездии Гидры детекторы стали свидетелями обоих явлений на расстоянии 1,7 секунды друг от друга.

Наблюдение подобного, был плод многолетнего труда тысяч ученых в более чем 70 наземных и космических обсерваториях, разбросанных по всему миру.
Вместе с ЛИГО, в неё вошли команды из Европы, гравитационно-волнового детектора в Италии, и ряда наземных и космических телескопов, включая Хаббл."Это событие знаменует поворотный момент в наблюдательной астрономии и приведет к сокровищнице научных результатов", сказал Бангалор Сатьяпракаш из школы физики и астрономии Кардиффского университета.
Обнаружение является еще одним пером в шапке для немецкого физика Альберта Эйнштейна, который впервые предсказал гравитационные волны более 100 лет назад.

Теоретически, маломассивные инфлатоны все еще могут быть скрыты в 1 проценте неисследованных колебаний. Эти случаи в конечном итоге будут исключены из будущих анализов с использованием новых данных, которые в настоящее время собираются на LHC. Однако физикам необходимо примириться с идеей о том, что если существуют инфляционные часицы, они либо более массивны, чем считалось ранее, либо встречаются в нескольких вариантах.

Пятое наблюдение и последнее, гравитационные волны - это первая из нейтронной звезды термоядерного синтеза. Остальные четыре были из слияния черных дыр, которые являются еще более тяжёлыми, и в отличие от нейтронных звезд, не излучают никакого света.

"Раньше", чем ожидалось

Последняя волна наблюдения, с другой стороны, сопровождалась вспышками гамма-лучей, которые ученые сказали, что пришли ближе во Вселенной и были менее яркими, чем ожидалось.

"Это событие говорит нам, что может быть гораздо больше этих коротких гамма-всплесков, идущих поблизости во Вселенной, чем мы ожидали", сказал Саттон.

"Это может быть вершина айсберга коротких гамма—всплесков, производимых столкновений и слияний нейтронных звезд" - захватывающая перспектива для ученых, надеющихся раскрыть дальнейшие секреты Вселенной.

Кроме всего прочего, есть надежда, что данные о столкновениях нейтронных звезд в один прекрасный день покажут скорость расширения космоса, что в свою очередь расскажет нам, сколько лет вселенной и сколько всего в ней содержится.

"Это чрезвычайно интересно наблюдать такое редкое событие, которое преображает наше понимание жизни Вселенной", - сказал Франц Кордова, директор Национального научного Фонда.

Нейтронная звезда создала «открытие жизни»

"Воистину момент Эврика", это всё на что я когда—либо надеялся, мечта сбылась" - обычно сдержанные ученые тянулись к звездам в понедельник, чтобы описать чувства, которые сопровождают событие "раз в жизни".

Свидетельство этого космического столкновения мчалось через пространство и достигло Земли 17 августа ровно в 12:41 МСК, приводя в напряжённую работу сотни телескопов и тысячи астрономов и астрофизиков всего мира.

Это было, как будто дремлющая сеть супер-шпионов одновременно начали действовать по всему миру.

Звездный разбойник стал известен двумя способами: он создал дрожь, называемую гравитационными волнами в континууме пространства времени Эйнштейна, и осветил весь электромагнитный спектр света, от гамма-лучей до радиоволн.

Но каждое из этих событий, порожденных столкновением черных дыр, длилось всего несколько секунд, и оставалось невидимым для телескопов земного и космического базирования.

Но в этот раз, при столкновении нейтронных звёзд, всё было по-другому.
Оно породило гравитационные волны—зафиксированные двумя американскими обсерваториями, известными как LIGO, и еще одной в Италии под названием Virgo (франко-итальянский детектор гравитационных волн) - которые длились поразительно 100 секунд. Меньше чем через две секунды, спутник НАСА зафиксировал всплеск гамма-лучей.

Настоящий момент "Эврика"

"Впервые мы наблюдаем катаклизмическое астрофизическое событие в гравитационных и электромагнитных волнах", - сказал исполнительный директор LIGO Дэвид Райтзе, профессор Калифорнийского технологического института (Caltech) в Пасадене

Начальные расчеты сузили зону до участка неба в южном полушарии, охватывающем пять-шесть галактик, но разочарованным астрономам пришлось ждать наступления ночи, чтобы продолжить поиски.

Наконец, примерно в 22-00 GMT (гринвичское время), телескоп в северной пустыне Чили засёк его: звездное слияние произошло в галактике, известной как NGC 4993.

Стивен Смарт, который руководил наблюдениями за телескопом новой технологии Европейской космической обсерватории, был восхищён, когда спектр осветил его экраны. "Я никогда не видел ничего подобного", - вспоминает он.

Ученые во всем мире были потрясены.

"Есть редкие случаи, когда ученый имеет шанс стать свидетелем новой эры в самом начале - это одно из таких времен", - сказала Елена Пьян, астроном в Национальном институте астрофизики в Риме.

ЛИГО - астрономы Калифорнийского технологического института провели десятилетия готовясь на всякий случай, рассчитывая что их шансы 80.000-к-1 стать свидетелями слияния нейтронных звезд.

"В то утро все наши мечты сбылись", - сказал Алан Вайнштейн, руководитель астрофизического анализа данных на ЛИГО в Калтехе.

"Это открытие было все, на что я всегда надеялся, упаковано в одно событие", - добавил Франческо Паннарале, астрофизик Университета Кардиффа в Уэльсе.

Для этих и тысяч других ученых, GW170817-метка взрыва нейтронной звезды станет "вы помните, где вы были?" в этот момент.

"Я сидел в кресле своего стоматолога, когда я получил текстовое сообщение", - сказал Бенуа Моуз, астрофизик из Национального центра Франции по научным исследованиям и французский координатор Virgo. "Я вскочил и бросился в свою лабораторию."

Патрик Саттон, глава группы гравитационной физики в Кардиффе и член команды LIGO, застрял в дальнемагистральном автобусе, пытаясь скачать сотни писем, переполнявших его почтовый ящик.

Слухи кружились внутри и за пределами астрономического сообщества, как ученые поспешили подготовить первоначальные выводы для публикации в понедельник в десятке статей, распространенных по нескольким ведущим мировых журналов.

Конечно нам не разрешили никому говорить," Саттон сказал AFP. Но я не мог удержаться рассказать своему 12-летнему сыну, начинающему физику.- Он поклялся хранить тайну. Ему нельзя было говорить даже своим друзьям.

Кратко: два американских подземных детектора известны как лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории, или LIGO.

Один из них расположен в Хэнфорде, штат Вашингтон; другие 1800 миль (3000 километров) в Ливингстон, Луизиана.

Строительство началось в 1999 году, и наблюдения проводились с 2001 по 2007 год.

Затем они прошли серьезную модернизацию, чтобы сделать их в 10 раз более мощными.

Впервые в сентябре 2015 года в полном объеме введены в эксплуатацию передовые детекторы LIGO.

14 сентября 2015 года детектор в Луизиане впервые принял сигнал гравитационной волны, возникшей 1,3 миллиарда лет назад в южном небе.

Virgo

Третий подземный детектор находится недалеко от Пизы, Италия, и известен как Virgo.

Построенный четверть века назад французско-итальянским партнерством, детектор Virgo завершил свой первоначальный цикл наблюдений в 2011 году, а затем прошел модернизацию.

Продвинутый Virgo начал свою работу в апреле этого года и сделал свое первое наблюдение гравитационных волн 14 августа, отметив четвертое такое событие, которое ученые наблюдали с 2015 года.

Virgo менее чувствителен, чем LIGO, но наличие трех детекторов помогает ученым в более узкой области поиска во Вселенной, где происходят космические события, и измеряет расстояние с большей точностью.

"Меньшая область поиска позволяет проводить последующие наблюдения с помощью телескопов и спутников для космических событий, которые порождают гравитационные волны и выбросы света, такие как столкновения нейтронных звезд" - сказала профессор Джорджии Тек Лаура Кадонати.

Как они работают.

Эти огромные лазерные интерферометры—каждые около 2,5 миои (четыре километра)—находятся под землей, чтобы производить наиболее точные измерения.

Они не полагаются на свет в небе, как делает телескоп.L-образные приборы отслеживают гравитационные волны с использованием физики лазерного света и пространства.

Скорее, они чувствуют вибрации в пространстве, что позволяет им раскрыть свойства черных дыр и нейтронных звезд.

"Как гравитационные волны, проходя через пространство тянется пространство-времени", - пояснил Дэвид Шумейкер, лидер передового проекта ЛИГО в Массачусетском технологическом институте (МТИ).

Детектор, короче говоря, " это просто большое устройство для изменения напряжения в пространстве электрического сигнала".

Один из способов представить искривление пространства и времени - это представить мяч, падающий на батут.

Во-первых, батут наклоняется вниз, растягивая ткань вертикально и укорачивая стороны.

Затем, когда мяч снова подпрыгивает вверх, горизонтальное движение ткани снова расширяется.

Прибор действует как преобразователь, меняя этот штамм на изменения света, а затем на электронный сигнал, чтобы ученые могли оцифровать его и анализировать.

"Свет от лазера должен перемещаться в вакууме, чтобы его не беспокоили все колебания воздуха" - сказал учёный, отметив, что LIGO содержит "самую большую высоковакуумную систему в мире".

Детекторы содержат два очень длинных рычага, которые содержат оптические приборы для изгиба света, и расположены как буква L.

Если одна рука укорачивается, а другая удлиняется, ученые знают, что они видят гравитационную волну.