Открытие, о котором неофициально говорили ученые еще в конце августа, и о котором догадывались СМИ, подтвердилось.
Астрономы обнаружили гравитационный сигнал от слияния нейтронных звезд, а также впервые в истории зафиксировали отклик во всех диапазонах электромагнитного спектра.
Работа стала возможна благодаря сотрудничеству более 3500 участников из 900 научных коллективов. Ее результаты изложены в нескольких статьях, важнейшие из которых публикуются 16 октября 2017 года сразу в нескольких ведущих журналах.
Гравитационные волны – возмущения пространства-времени, излучаемые движущимися массами и распространяющиеся со скоростью света. Они были предсказаны в рамках общей теории относительности еще в 1916 году, но долгое время оставались необнаруженными из-за низкой чувствительности детекторов. Тем не менее, математические расчеты показывали, что слияние компактных астрофизических объектов, таких как нейтронные звёзды или черные дыры, может породить гравитационно-волновой сигнал такой интенсивности, что его будет возможно поймать с помощью существующих детекторов.
Впервые об их обнаружении было объявлено 11 февраля 2016 года, а в октябре 2017 года американским исследователям Кипу Торну, Райнеру Вайссу и Барри Бэришу присудили Нобелевскую премию по физике за работу по созданию гравитационно-волновой обсерватории LIGO, на которой был получен сигнал. Он исходил от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли.
С открытием гравитационных волн у астрономов появился новый канал информации наряду с электромагнитным спектром и нейтринной астрономией. Теперь есть возможность непосредственно изучать параметры очень компактных объектов, что было невозможно при каких-либо иных типах наблюдений. Например, анализ первого обнаруженного гравитационно-волнового сигнала показал, что в процессе слияния порядка трех масс Солнца ушло именно в гравитационное излучение.
Но детекторы типа LIGO не могут точно определить направление на небе, откуда пришел сигнал. Дело в том, что обсерватория LIGO состоит из двух детекторов: в Ливингстоне (штат Луизиана) и в Хэнфорде (штат Вашингтон), удаленных друг от друга на 3002 километра. Направление оценивается по временной задержке прихода сигнала на каждый детектор, и, при наличии всего двух детекторов возможное направление на источник будет выглядеть на звездной карте как тонкое кольцо. При этом толщина кольца уменьшается при уменьшении погрешности измерений.
Эта ситуация изменилась с вводом в строй 1 августа 2017 года обсерватории VIRGO, расположенной вблизи итальянского города Пиза. Теперь количество гравитационных детекторов достигло трех, и появилась реальная возможность установить точные координаты гравитационного сигнала. 14 августа впервые в истории все три детектора зафиксировали гравитационный сигнал от слияния чёрных дыр, получивший обозначение GW170814. Область на небе, из которой он пришел, удалось определить с точностью в 60 квадратных градусов, что значительно точнее, чем локализация предыдущих сигналов.
Следующий сигнал, получивший позднее название GW170817, все три гравитационных детектора совместно зафиксировали всего через несколько дней: 17 августа 2017 года в 12.41.04 (UTC) –
он-то и привел к открытию, которого астрономы так ждали, и готовились объявить в этот понедельник в разных странах мира под строгим эмбарго.
В тот день, 17 августа, через 2 секунды после регистрации гравитационных волн научный прибор Gamma-ray Burst Monitor (GBM) на борту космической обсерватории Fermi, и космическая гамма-обсерватория ИНТЕГРАЛ независимо зафиксировали короткий гамма-всплеск. Обсерватория Fermi в автоматическом режиме определила координаты источника гамма-всплеска и послала данные в координационную сеть гамма-всплесков (GCN).
Причем по характеристикам это событие соответствовало слиянию нейтронных звезд, а не черных дыр, как было в предыдущих ситуациях. Поиск и анализ информации от других детекторов позволили локализовать область, откуда пришли гравитационные волны, и начать интенсивную кампанию по поиску следов слияния в электромагнитном диапазоне. На этот раз направление на источник удалось определить гораздо точнее. Область на небе, откуда пришли гравитационные волны, составила менее 30 квадратных градусов.
Последующий анализ данных трех детекторов позволил определить свойства источника. Учитывая модель гравитационной волны, эффекты, связанные с собственным вращением сливающихся компонент, а также приливные взаимодействия, астрономы определили, что расстояние до источника составляет приблизительно 40 мегапарсек. Оценки масс компонент дают (1,36-2,26) и (0,86-1,36) масс Солнца. Но авторы исследования замечают: опираясь только на данные гравитационных детекторов, нельзя исключать, что компоненты могли бы оказаться ещё более компактными объектами, например кварковыми звездами или черными дырами.
На основе задержки между моментами прихода сигнала на обсерватории Fermi и ИНТЕГРАЛ, как и в случае гравитационных детекторов, удалось значительно улучшить локализацию источника гамма-лучей. Выяснилось, что время и область гамма-всплеска совпадают с направлением на источник гравитационных волн, полученных коллаборацией LIGO/Virgo. Сигнал был классифицирован как sGRB (short gamma-ray burst) – так называемые короткие гамма-всплески, длительность которых не превышает двух секунд. Астрофизики связывают эти явления со слиянием компактных объектов, например двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.
Это оказался самый близкий гамма-всплеск подобного класса с измеренным красным смещением.
Используя оценки координат источника, астрономы начали поиски его оптических проявлений, как только в их местности наступала темнота. Телескопы в Чили стали первыми, где спустя 10 часов после слияния стала видна область локализации всплеска.
«LIGO–VIRGO сообщили не только о слиянии двух нейтронных звезд, которые должны дать оптический сигнал, но и приблизительное расстояние до самой системы – около 130 миллионов световых лет. Команды, занимающиеся обзорами относительно близких галактик, тут же опубликовали циркуляр со списком мест, где может располагаться источник всплеска. Все эти галактики стали целями для точечного поиска.
Далее открытие оптического послесвечения было лишь делом времени. Ну и везения для тех, кто первым навёлся на галактику NGC 4993,
— пояснил «Газете.Ru» к.ф.-м.н., руководитель сектора быстропеременных космических источников отдела Наблюдательной и теоретической астрономии и радиоинтерферометрии ИКИ РАН Алексей Позаненко. — Независимо друг от друга оптический компонент открыли 6 команд, но первым всё же оказался телескоп Swope. А дальше, когда координаты были опубликованы в закрытой сети, у всех наблюдателей уже была цель. И оставалось лишь понять, похож ли открытый источник на то, что мы должны видеть. Оказалось, что по спектральным характеристикам и по виду кривой блеска объекта он совершенно не похож на известные короткие гамма-всплески. Объясняется это тем, что мы наблюдаем источник под большим углом, в отличие от других более далеких гамма-всплесков, которые мы видим близко к оси джета.
Медленный темп падения блеска источника хорошо описывает излучение так называемой килоновой (еще ее называют мини-сверхновой или макроновой). А для объяснения уникальных наблюдательных свойств источника в гамма-диапазоне мы предложили физическую модель, которую предстоит проверить в будущих наблюдениях. Слияние двух нейтронных звезд, в свою очередь, подходит под существующие представления об источниках, порождающих короткие гамма-всплески. Таким образом, это событие связало воедино все наши представления о слиянии компактных систем, образовании коротких гамма-всплесков, образовании оптических послесвечений коротких гамма-всплесков и эмпирически подтвердило существующие теории».
Кстати, одним из первых инструментов, обнаруживших оптическое послесвечение, стал российский МАСТЕР, разработанный под руководством профессора МГУ Владимира Липунова. Это глобальная сеть телескопов-роботов, которые способны автономно выбирать тактику обзора неба, обрабатывать потоки данных порядка нескольких терабайт в сутки в режиме реального времени и писать и отправлять научные сообщения.
«В коллаборации LIGO–VIRGO, – продолжает Алексей Позаненко, – участвуют сотрудники МГУ им. Ломоносова и Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Любые научные группы могут стать официальными партнёрами LIGO/Virgo. В России это, по крайней мере, ученые, представляющие Россию в проекте ИНТЕГРАЛ, эксперимент Konus-Wind, MASTER, наша группа в ИКИ (IKI-GRB Follow-up Network). Первые две – гамма-обсерватории, вторые две – работают в оптике. МАСТЕР – это всемирно известная сеть для поиска транзиентных объектов. Наша сеть IKI-GRB FuN устроена иначе. Она развернута на базе существующих обсерваторий России, стран СНГ и дальнего зарубежья, развитие сети идет в тесной кооперации с ИПМ РАН и сетью ISON.
Мы сотрудничаем с КрАО, Саянской обсерваторией в поселке Монды, с обсерваториями в Уссурийске, Кисловодске, с САО РАН, Майданакской обсерваторией в Узбекистане, Тань-Шаньской обсерваторией в Казахстане, Абастуманской обсерваторией в Грузии, обсерваторией Хурелтогот в Монголии, обсерваторией Chilescope в Чили, кстати, построенной российскими любителями астрономии. В каждой из этих обсерваторий осуществляется программа наблюдений послесвечений гамма-всплесков.
То есть, после сообщения от гамма-обсерваторий, они прерывают свои наблюдения и наводятся по имеющимся координатам.
В случае с гравитационными сигналами всё устроено сходным образом. Эта работа координируется из ИКИ нами, сотрудниками сектора быстропеременных космических источников (Алексей Степанович Позаненко – руководитель, и трое молодых сотрудников – Вольнова Алина, Минаев Павел и Мазаева Елена). К нам стекаются все данные».
Долгое эхо
Позднее послесвечение удалось обнаружить и в других диапазонах. Через 12,8 часов обсерваторией Gemini был обнаружен отклик в ближнем инфракрасном диапазоне. В ультрафиолетовом диапазоне сигнал был обнаружен космическими телескопами Swift и Hubble Space Telescope. Также к наблюдениям подключились телескопы Pan-STARRS, Magellan и Subaru. В итоге на протяжении нескольких недель проводился почти непрерывный мониторинг источника. Наблюдения в рентгеновском диапазоне также представляют большую ценность, потому что позволяют узнать геометрию выброса вещества при слиянии. В этих наблюдениях также участвовало большое количество телескопов, включая Swift, INTEGRAL и Chandra.
Интересно, что рентгеновский компонент был обнаружен лишь на 9-й день наблюдений телескопом Chandra. Исследователи предполагают, что такая задержка связана с ориентацией направленного выброса вещества – джета. Фактически джет был направлен совсем в другую сторону, а эффекты, связанные с разлетающийся оболочкой, проявились гораздо позже. Также довольно долго астрономы не могли обнаружить отклик в радиодиапазоне. Мониторинг указанной области начался почти сразу, но, несмотря на участие в проекте таких радиотелескопов, как американские Very Large Array (VLA), Long Wavelength Array и австралийский ATCA, сигнал был обнаружен только 2 сентября. В наблюдениях принимала участие и знаменитая Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Также принимались попытки обнаружить связанные со слиянием нейтронных звезд нейтрино, однако они не увенчались успехом.
Одну из важнейших ролей в открытии слияния нейтронных звезд сыграла обсерватория ИНТЕГРАЛ, которая в эти дни отмечает 15-летие успешной работы на орбите. Обсерватория была запущена на орбиту российской ракетой-носителем «Протон», за что российские ученые получили права на 25% наблюдательного времени. Для обсерватории ИНТЕГРАЛ впервые в России был реализован принцип национальной обсерватории. Это значит, что любой ученый из любого российского научного института, университета, обсерватории может подать заявку на проведение наблюдений и получить данные. Все научные данные становятся доступными для российских ученых через Российский Центр Научных Данных (РЦНД) в ИКИ РАН.
Благодаря такой организации работы и сотрудничеству с европейскими учеными, данные обсерватории поступают в РЦНД почти в непрерывном режиме, что позволяет российским ученым обрабатывать их практически в режиме реального времени. Так было, в том числе, и при обнаружении гамма-излучения от гравитационно-волнового события 17 августа. «Мы здесь в ИКИ получали и проводили их анализ одновременно с нашими коллегами из Швейцарии, Италии, Франции и Дании, – говорит Александр Лутовинов, профессор РАН, руководитель лаборатории релятивистских компактных объектов отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН, являющийся одним из представителей российских ученых в проекте ИНТЕГРАЛ, — Это, действительно, выдающееся открытие – мы впервые зарегистрировали гравитационные волны и мощное гамма-излучение от одного и того же космического объекта.
Раньше такого никогда не случалось: мы увидели явные признаки слияния нейтронных звезд».
Еще одно важное наблюдение было сделано спустя две недели после всплеска в оптическом диапазоне. «Телескопы VLT и HST заметили признаки радиоактивного распада – то, что астрофизики называют r-процессом. Определенные черты в спектре указали на то, что в выбросе, возможно, появились элементы группы лантаноидов. При r-процессе (r-rapid) происходит быстрый захват нейтронов, и могут образовываться элементы тяжелее железа. Теперь мы видим, откуда берутся вокруг нас все тяжелые металлы
– это действительно результат слияния нейтронных звезд», — поясняет Александр Лутовинов.
Что же осталось после слияния двух нейтронных звезд? По словам Лутовинова, есть три возможных варианта. Во-первых, в результате слияния могла сразу образоваться черная дыра, если две нейтронные звезды были достаточно массивны. Мог получиться тяжелый остаток — массивная нейтронная звезда, которая достаточно быстро сколлапсирует в черную дыру.
«И, наконец, мог получиться магнитар, хотя в принципе, наблюдения ИНТЕГРАЛа в течение 5 дней после вспышки и отсутствие сигнала этот вариант ставят под сомнение — и это очень еще один важный вклад обсерватории, помимо самого открытия», — пояснил ученый.
По его словам, открытие даст возможность лучше понять саму природу нейтронных звезд, уточнить уравнения состояния вещества, из которого они состоят.
Наконец, августовское открытие дало возможность получить строгие ограничения на скорость распространения гравитационных волн –
как и гласит теория, с высокой точностью их скорость оказалась равна скорости света.
Наблюдение сигнала GW170817 имеет беспрецедентную важность для современной астрономии. Многое здесь произошло впервые. Впервые астрономам удалось пронаблюдать слияние двух нейтронных звёзд. Причём, по астрофизическим меркам, довольно близко – всего в 40 Мпк. Впервые обнаружен и гамма-, и оптический компонент от гравитационного всплеска. И это было бы невозможно без слаженной работы большого количества институтов и обсерваторий (в том числе и космических) по всему миру. Слияние гравитационной и классической астрономии дает возможность построить наиболее полную картину происходящего в глубинах Вселенной, проверить многие теории и, возможно, обнаружить новые, ещё не открытые явления.