Впервые в истории зарегистрированы гравитационные волны от слияния нейтронных звёзд

Это свершилось. Более 2000 ученых из разных стран, 70 наземных и орбитальных обсерваторий, наблюдения практически во всех диапазонах волн, известных нам - от гравитационного и гамма-всплеска до оптики и инфракрасного диапазона. И одна килоновая, «маяк» чудовищной мощности, освещающий новую эпоху в астрономии.

Однако, давайте по порядку.

Сегодня, на нескольких пресс-конференциях, было официально объявлено, что впервые в истории удалось зарегистрировать гравитационный всплеск от слияния двух нейтронных звезд. Но помимо этого удалось «препарировать» весь процесс: зафиксировать гамма-всплеск, вспышку килоновой, пронаблюдать ее в течение нескольких недель и построить ее кривую блеска, получить спектры и понять, какие элементы образовались при взрыве. Эта грандиозная работа была проделана колоссальным количеством людей из разных обсерваторий по всему свету и позволяет нам узнать о, пожалуй, двух одних из самых интересных загадок — как устроены нейтронные звезды и как образовались тяжелые элементы во Вселенной!

Итак, утром 17 августа 2017 года, в 15:41 по московскому времени последовательно двумя гравитационными детекторами Advanced LIGO в США и детектором Advanced Virgo в Европе был зарегистрован пятый по счету гравитационный всплеск GW170817. Благодаря данным с трех детекторов удалось локализовать местоположение источника на небе (площадью около 35 квадратных градусов), которое оказалось в Южном небе. Через 2 секунды детекторы космических телескопов Fermi и INTEGRAL зафиксировали короткий всплеск гамма-излучения в той же области неба. Сообщение об этом открытии было оперативно разослано по обсерваториям, расположенным в южном полушарии Земли.

А дальше началась фантастическая гонка. Телескопы по всему миру ждали ночи и включались в работу, орбитальные обсерватории изменяли программы и перенаводились, и так продолжалось несколько недель. Первой ее зафиксировали астрономы в обсерватории Лас Кампанас в Чили при помощи оптического 1-метрового телескопа «Henrietta Swope». Почти одновременно с ним вспышку в инфракрасном диапазоне увидел телескоп VISTA. Затем астрономы в другой чилийской обсерватории — Лас Камбрес — активировали свою сеть из 20 роботизированных телескопов по всему миру и отслеживали 20-кратное падение оптической яркости вспышки в течение пяти дней, что позволило построить кривую блеска. По мере вращения Земли, источник вспышки наблюдался телескопами Pan-STARRS и Subaru на Гавайях. В конечном итоге к наблюдениям, которые продолжались несколько недель, подключились около 70 обсерваторий, в том числе космический телескоп Hubble, телескопы Европейской Южной обсерватории (такие как обзорные телескопы VISTA, VST, NTT, MPG и даже сам красавец VLT — четыре 8-метровых мощных телескопа!) и Межамериканской обсерватории Серро Тололо, система радиотелескопов ALMA, рентгеновский телескоп Chandra и российская система роботизированных телескопов МАСТЕР. В дальнейшем галактика оказалась на небе слишком близко к Солнцу и в сентябре стала ненаблюдаемой.

Так что же произошло?

130 миллионов лет назад, когда на Земле был ранний меловой период, когда по планете гуляли динозавры и появились первые цветковые растения, в эллиптической галактике NGC 4993 в созвездии Гидры две нейтронных звезды с массами в диапазоне от 1.1 до 1.6 масс Солнца кружились вокруг общего центра масс в своем последнем танце. Когда расстояние между ними сократилось до 300 километров, мощность гравитационного излучения стала выше границ чувствительности гравитационных детекторов на Земле. В течение последующих 100 секунд звезды становились все ближе и ближе друг к другу, непрерывно теряя энергию в виде гравитационных волн. В какой-то момент они столкнулись, гравитационный всплеск достиг максимума и пропал.

Дальше? А дальше начался огненный ад. В момент слияния двух нейтронных звезд в один компактный объект (нейтронную звезду или черную дыру) образуется «огненный шар» из гамма-излучения, за которым следует вспышка килоновой, видимая во всех диапазонах волн, в том числе и оптическом, обусловленная выбросом части вещества в пространство. В этот момент, в результате r-процесса рождаются тяжелые элементы с большим количеством нейтронов в ядре — в чудовищном катаклизме нейтроны буквально впихиваются в ядра атомов. Многие из получающихся элементов нестабильны и вскоре распадутся, однако стабильные останутся. Вспышки килоновых при слиянии нейтронных звезд считаются основным источником всех химических элементов тяжелее железа во Вселенной. Их яркость может быть более чем в тысячу раз выше, чем вспышки новых, однако ниже, чем у сверхновых, а неуловимость объясняется кратковременностью вспышки.

Да-да. Уран в ТВЭЛах АЭС, плутоний в бомбах, золото и серебро в ваших украшениях, иод, платина — все это дети r-процесса при слиянии нейтронных звезд. При помощи 8-метрового телескопа Gemini в Чили удалось получить спектр вспышки, что позволило определить количество вещества, выброшенного прочь при слиянии — около 1 % от общего количества материи в двойной системе и его скорость — около 30 % скорости света. Спектры, полученные телескопами Hubble и VLT, показывают наличие цезия, теллура, золота, платины и других тяжелых элементов, рожденных в результате процессов нейтронного захвата и выброшенных в пространство при слиянии нейтронных звезд. Таким образом, наблюдения указывают на формирование элементов тяжелее железа при ядерных реакциях в недрах сверхплотных звездных объектов, который раньше был известен только в теории.

Это ближайший к нам из всех обнаруженных источников гравитационных волн и один из ближайших когда-либо наблюдавшихся источников гамма-всплесков, самое точное подтверждение теоретических описаний r-процесса и килоновых, самая масштабная мультиволновая кооперация наблюдательных инструментов по всей планете. Это новая эпоха в астрономии!

Пресс-релиз LIGO: http://www.ligo.org/detections/GW170817/press-release..

Пресс-релиз ESO: https://www.eso.org/public/russia/news/eso1733

Прямая трансляция пресс-конференции LIGO: https://www.youtube.com/watch?v=mtLPKYl4AHs

Текстовая трансляция: https://nplus1.ru/blog/2017/10/16/online-gravitationa..

Пресс-релиз ИКИ РАН: http://press.cosmos.ru/gw170817-pervaya-registraciya-..

Научная статья: http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/a..