Слияние нейтронных звезд подтверждает десятилетия предсказаний

Ноя 02, 2017 Леонид Гляделов

17 августа лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила пятый отпечаток огромного возмущения в пространстве-времени. В отличие от первых четырех рядов ряби, которые отражали столкновения между двумя черными дырами, форма этих пространственно-временных искажений предполагала столкновение двух нейтронных звезд.

В то время, как столкновения черных дыр не оставляют практически ни какого следа, кроме гравитационных волн, столкновение нейтронных звезд может наблюдаться и вверх, и вниз по электромагнитному спектру. «Когда нейтронные звезды сталкиваются, весь ад разрывается», - сказал Франс Преториус, профессор физики Принстона (Принстонские исследователи десятилетиями изучали нейтронные звезды). «Они начинают производить огромное количество видимого света, а также гамма-лучи, рентгеновские лучи, радиоволны ...».

Нейтронные звезды и гамма-лучи: Богдан Пачинский и Джереми Гудман

Гравитационные волны были первыми свидетельствами слияния нейтронной звезды, которые пришли на Землю, а затем гамма-всплеск, который достиг 1,7 секунды.Связь между нейтронными звездами и гамма-всплесками была впервые идентифицирована Принстонскими астрофизиками в 1986 году, сказал Джеймс Стоун, Лайман Спитцер-младший, профессор теоретической астрофизики и заведующий кафедрой астрофизических наук. «Многие из открытий, объявленных 16 октября, подтверждают основные прогнозы, сделанные 30 лет назад здесь, в Принстоне».
Он имел в виду записи Богдана Пачиньского, покойного Лаймана Спитцера-младшего - профессора теоретической астрофизики и Джереми Гудмана, 1983 год доктор философии, выпускник, который учился у Пачиньского и теперь является профессором кафедры. В своих статьях Пачинский и Гудман утверждали, что сталкивающиеся нейтронные звезды могут быть источниками гамма-всплесков, загадочного, короткоживущего источника энергии, впервые идентифицированного спутниками в конце 1960-х годов.
«Мы оба говорили об этой возможности. Кто впервые озвучил эту идею? Я не знаю, потому что мы были в постоянном разговоре, - сказал Гудман. «Мы знали, что нейтронные звезды должны время от времени сталкиваться - мы знали это из-за работы лауреата Нобелевской премии Джо Тейлора».

Кроме того, Пачинский осознал, что большинство гамма-всплесков исходят с достаточно далеких расстояний, чтобы расширение Вселенной влияло на их кажущееся распределение.
«Богдан Пачинский был абсолютно прав, - сказал Гудман. Однако его идеям не было сразу придано должного значения. «Я помню, что собираясь на конференцию в Таосе, Нью-Мексико ... Богдан коротко рассказал о своей идее, что гамма-всплески происходят с космологических расстояний. Я помню этих других астрофизиков ... они были почтительно спокойны, когда он говорил, но смотрели на него как на немного сумасшедшего».
Он добавил: «Богдан Пачинский был очень смелым мыслителем».

Нейтронные звезды встречаются: Джозеф Тейлор, Рассел Халс и Джоэл Вайсберг

Возможность столкновения нейтронных звезд, вызвавшая дискуссию Пачиньского и Гудмана, впервые появилась в 1981 году Джозефом Тейлором, теперь профессором физики им. Джеймса С. Макдоннелла, почетным профессором. Его открытие 1974 года бинарных нейтронных звезд с его аспирантом Расселом Хьюлсом, который позже работал в Принстонской лаборатории плазменной физики, был удостоен Нобелевской премии по физике 1993 года. Они показали, что две нейтронные звезды, которые они заметили, были разделены примерно на полмиллиона миль и вращались вокруг каждые 7,75 часа.
В 1981 году, вскоре после приезда в Принстон, Тейлор, а затем помощник профессора Джоэл Вайсберг объявил, что с точными измерениями, проведенными в течение нескольких лет, они подтвердили, что расстояние и период меняются со временем с орбитальным распадом, который соответствует предсказанию Альберта Эйнштейна для потери энергии из-за излучения гравитационной волны. Орбита так бесконечно замедляется, что нейтроны звезд в бинарном слое Hulse-Taylor потребуют примерно 300 миллионов лет чтобы столкнуться и слиться.
«Как только была изучена бинарная нейтронная звезда Hulse-Taylor, с последующими временными экспериментами, показывающими согласованность с общей теорией относительности, было ясно, что столкновения произойдут», - сказал Стивен Губсер, профессор физики.
«Итак, когда мы отмечаем первое гравитационное обнаружение встречных нейтронных звезд, давайте отметим Джо Тейлора и Рассела Хюльса за их первоначальное открытие бинарных пульсаров и за демонстрацию того, что они на самом деле являются нейтронными звездами, вращающимися вокруг друг друга, и просто ждут столкновения «.

Как сливаются звезды: Стивен Гузер и Франс Преториус

Губсер и Преториус, когда они описывали, как сталкиваются черные дыры (или нейтронные звезды) - астрономическое чудо, которое LIGO обнаружило пять раз. В недавнем разговоре за свою книгу «Маленькая книга черных дыр», опубликованная издательством Princeton University Press, Губсер и Преториус использовали диск размером около трех дюймов, поэтому их аудитория могла более легко видеть и слышать медленные диски и постоянное увеличение скорости.
«Вы обычно думали о том, чтобы потерять энергию, как соответствующую замедлению, а не ускоряться, но вы видели с диском, что на самом деле это может пойти другим путем», - сказал впоследствии Губсер. «По мере того, как диск теряет энергию от трения, его точка контакта движется все быстрее и быстрее и создает эту характерную частоту роста».
Являются ли сталкивающиеся объекты нейтронными звездами или черными дырами - или один из них - крутящееся движение, и его звук следует той же схеме. По мере того, как энергия гравитационной волны исчезает, два объекта будут вращаться друг с другом быстрее и быстрее, направляясь к их неизбежной кончине.
В случае столкновения, обнаруженного LIGO 17 августа, две звезды, каждая размером и массой почти вдвое превышающая солнце, в конце концов крутились вокруг друг друга со скоростью несколько сетен оборотов в секунду, двигаясь со значительной скоростью до того, как они столкнулись.

«Временный эксперимент Тейлора и Вайсберга показал начало этой модели, вызванной медленной спиралью», - сказал Губсер. «Частота увеличивается очень медленно, и именно поэтому это было такое впечатляющее измерение».

Что создаётся от столкновения звезд: Адам Барроуз и Дэвид Радиш

Когда звезды врезаются друг в друга при значительной части скорости света, столкновение объединяет атомы и создает элементы, которые заполняют нижние ряды периодической таблицы.
«Эти элементы - платина, золото, многие другие менее ценные, которые высоко стоят в периодической таблице - у них больше нейтронов, чем протонов в их ядрах», - сказал Гудман.
«Вы не можете добраться до этих ядер так же, как мы понимаем элементы до получения железа, эффективно добавляя один нейтрон за раз. Проблема в том, что вы должны очень быстро добавить много нейтронов». Этот быстрый процесс известен физикам как R-процесс.
В течение долгого времени ученые считали, что элементы R-процесса были созданы в сверхновых, но цифры не складывались, сказал Гудман. «Но нейтронные звезды - это в основном нейтроны, и если вы разбили их, разумно ожидать, что некоторые нейтроны вылетят».

«Продуктами этого слияния могут быть золото, уран, европий - одни из самых тяжелых элементов в природе», - сказал Адам Берроуз, профессор астрофизических наук и директор программы «Планеты и жизнь».

Берроуз и Дэвид Радич, объединившиеся исследователи, недавно выиграли финансирование от Министерства энергетики США, чтобы исследовать слияние нейтронных звезд и сверхновых, которые Барроуз описывает как «одно из самых взрывоопасных явлений, немногие из самых жестоких событий, которые происходят на регулярной основе во вселенной».
Спектроскопические наблюдения из очень большого телескопа Европейской южной обсерватории (VLT) вслед за обнаружением LIGO, подтвердили, что при столкновении двух нейтронных звезд были созданы тяжелые металлы, такие как платина, свинец и золото.
Данные VLT, используемые для идентификации этих элементов, видимые или почти видимые длины волн света, были собраны в считаные часы и дни после обнаружения LIGO гравитационных волн. Как только началось распространение открытия сделанным LIGO, всемирное астрономическое сообщество настроило свои телескопы и другие инструменты на источник, из которого пришли гравитационные волны.
Мецгер, профессор Колумбийского университета, был одним из почти 4000 соавторов, описывающих последующие наблюдения за рентгеновскими лучами, гамма-лучами , волнами видимого света, радиоволнами и т. д. «Это было действительно удивительное панхроматическое открытие гравитационных волн, в основном каждая длина волны», - сказал он.

Влияние на астрономическое сообщество сравнивается только с одним другим событием в его жизни, сказал Гудман: сверхновая 1987 года. Наблюдения за этим звездным взрывом дали конкретное разрешение бесчисленным астрономическим вопросам и теориям. «Люди строили эту модель для сверхновых, теоретического здания, а наблюдательные фонды были немного шаткими», - сказал Гудман. «Никто не мог придумать лучшую модель для этих событий, но потом увидел её ... Я не знаю, как это описать, это как получить телеграмму от Бога, в которой точно сказано, что это за события».
Гудман сказал, что данные, собранные из «электромагнитных фейерверков», созданных слиянием нейтронных звезд, оказали аналогичный эффект. «У нас были всевозможные спекуляции ... но теперь у нас есть эти гравитационные волны . Это точно так же, как мы ожидали от двух компактных масс!»
«Это будущее в обнаружении гравитационных волн, которое является новой астрономией, которое было открыто», - сказал Берроуз. «Это новое окно во вселенную, которое ожидалось в течение многих десятилетий, и это потрясающее воплощение амбиций тысяч ученых, технологов, которые на самом деле достигли того, во что другие не верили».