Научный прорыв: комбинация гравитационных и электромагнитных волн

Гравитационные волны стали самым важным инструментом из доступных астрономам. Они уже используются для подтверждения того, что крупные чёрные дыры (ЧД) – с массами в десять или больше раз, чем у Солнца – и слияния этих крупных ЧД, формирующие ещё более крупные ЧД, не так уж редко происходят во Вселенной. В октябре 2017 года этот инструмент совершил рывок вперёд ^[1].

Уже давно было известно, что нейтронные звёзды (НЗ), схлопнувшиеся останки звёзд, взорвавшихся и ставших сверхновыми, во Вселенной встречаются часто. И почти столько же известно, что НЗ иногда ходят парами. (Именно так были впервые опосредованно открыты гравитационные волны в 1970-х). Звёзды часто формируют пары, и иногда обе звезды взрываются и становятся сверхновыми, а их остатки в виде НЗ обращаются вокруг друг друга. Согласно теории относительности Эйнштейна, пара звёзд должна постепенно терять энергию, испуская в космос гравитационные волны, и медленно, но верно два этих объекта должны по спирали падать друг на друга. В итоге, по прошествии миллионов или даже миллиардов лет они сталкиваются и сливаются в более крупную НЗ или в ЧД. В результате этого столкновения происходят два события.

1. Возникает некая очень яркая вспышка света – электромагнитные волны – о подробностях которой мы можем только догадываться. Некоторые из этих волн будут видимым светом, а большая их часть – невидимой, например, гамма-излучением.
2. Возникают гравитационные волны, подробности которых легче подсчитать, из-за чего их можно различить, но нельзя было обнаружить, пока LIGO и VIRGO не начали сбор данных: LIGO за последние несколько лет, а VIRGO за последние несколько месяцев.

Возможно, что раньше мы уже видели свет слияния двух НЗ, но никто не может быть в этом уверен. Разве не было бы здорово, если б мы смогли увидеть гравитационные волны И электромагнитные волны, исходящие от слияния НЗ? Это будет похоже на то, как если вы увидите фейерверк и услышите взрыв – видеть и слышать одновременно лучше, чем по отдельности, каждый из сигналов уточняет другой. (Предупреждение: учёные часто говорят так, будто обнаружение гравитационных волн похоже на слух. Это лишь аналогия, и очень отдалённая. Они вообще не похожи на акустические волны, которые мы слышим ушами, по многим причинам – поэтому не нужно воспринимать аналогию буквально). Если мы сможем делать и то и это, мы сможем получить новые знания о НЗ и их свойствах совершенно новым способом.

И мы, наконец, узнали, что это произошло. LIGO с первыми двумя гравитационными обсерваториями, обнаружил волны от двух сливающихся НЗ, расположенных в 130 млн световых годах от Земли, 17 августа 2017 года. (Слияние НЗ длится гораздо дольше, чем слияние ЧД, поэтому их легко отличить; а конкретно это слияние происходило так (относительно) близко, что его можно было наблюдать достаточно долго). VIRGO, с третьим детектором, позволил учёным провести триангуляцию и грубо определить местоположение слияния. Они получили очень слабый сигнал, но он оказался чрезвычайно важным, поскольку он сообщил учёным, что слияние произошло в небольшом регионе неба, в котором у VIRGO наблюдается слепое пятно. А это дало учёным понять, где нужно искать.

Слияние наблюдали более минуты – можно сравнить с ЧД, слияние которых происходит менее, чем за секунду. Но пока ещё не совсем понятно, что произошло в конце! Сформировали ли слившиеся НЗ другую НЗ или ЧД? Пока неясно.

Почти ровно в тот момент, когда гравитационные волны достигли максимума, другая команда учёных, с проекта FERMI, зафиксировала вспышку гамма-лучей – электромагнитных волн высокой частоты. FERMI наблюдает гамма-излучение, приходящее из дальних концов Вселенной, ежедневно, и двухсекундная гамма-вспышка не была чем-то необычным. Её обнаружил и ещё один эксперимент с гамма-лучами, INTEGRAL. Команды обменялись информацией за несколько минут. Детекторы гамма-лучей FERMI и INTEGRAL могут довольно грубо определять участок неба, откуда приходят эти гамма-лучи, а LIGO/VIRGO вместе тоже дают только приблизительный участок. Но учёные увидели перекрытие этих участков, и доказательства были неопровержимыми. Вот так астрономия вошла в новую, долгожданную фазу.

Только это само по себе уже было довольно крупным открытием. Краткие вспышки гамма-лучей годами занимали учёных. Одной из наилучших догадок об их происхождении было предположение о слиянии НЗ. Теперь загадка раскрыта – это предположение, очевидно, оправдалось. (А вдруг нет? Обнаруженные гамма-лучи оказались неожиданно слабыми, поэтому вопросы всё ещё остаются).

Также тот факт, что эти сигналы пришли с разрывом в пару секунд друг от друга, после того, как они, выйдя из одного и того же источника, проделали путь, занявший у них более 100 млн лет, подтверждает, что скорость света и скорость гравитационных волн одинакова – и обе они равны космическому пределу скорости, в точном соответствии с предсказаниями теории гравитации Эйнштейна.

Затем эти команды быстро сообщили своим друзьям-астрономам о необходимости направить их телескопы в область, где должен находиться источник. Десятки телескопов, со всех континентов и из космоса, искали электромагнитные волны с большим разбросом частот, будучи направленными примерно в нужном направлении, и сканировали небо в поисках чего-то необычного. (Одной из проблем было то, что нужный объект находился в небе близко к Солнцу, поэтому его можно было увидеть только в темноте и всего по часу каждую ночь). И был обнаружен свет! На всех частотах! Объект оказался очень ярким, благодаря чему было очень легко найти галактику, в которой произошло слияние. Яркий свет был виден в гамма-лучах, ультрафиолете, инфракрасном свете, рентгеновском диапазоне и радиодиапазоне. (В этот раз нейтрино, частицы, которые можно использовать как ещё один способ наблюдения за удалёнными взрывами, обнаружены не были).

И с таким количеством информации можно узнать столько всего!

Самое важное, наверное, вот что: из закономерностей, присутствующих в спектре света, следует подтверждение гипотезы, что слияния нейтронных звёзд являются важными, возможно, преобладающими источниками появления многих тяжёлых химических элементов – йода, иридия, цезия, золота, платины и так далее – возникающих при высоких температурах в таких столкновениях. Наиболее вероятным их источником считались те же самые сверхновые, что формируют НЗ. Но теперь, судя по всему, оказалось, что второй этап жизни НЗ – слияние, а не рождение – настолько же важен. Это потрясающе, потому что слияние НЗ происходят гораздо реже, чем взрывы сверхновых. В нашей Галактике Млечный путь сверхновая вспыхивает примерно раз в сто лет, но между появлением в слияниях НЗ таких «килоновых» проходят десятки тысячелетий.

Если что-то в этой новости и разочаровывает, так это следующее: почти всё, что наблюдалось в этих экспериментах, было предсказано заранее. Иногда важнее и полезнее, если ваши предсказания совершенно не оправдываются, потому что тогда ты понимаешь, сколько тебе ещё предстоит узнать. Очевидно, наше понимание гравитации, НЗ, их слияний, всяких типов источников электромагнитного излучения, возникающих в этих слияниях, оказывается гораздо лучше, чем можно было подумать. Но, к счастью, есть и несколько новых загадок. Рентгеновские лучи запоздали; гамма-лучи были слабыми – вскоре мы узнаем об этом подробнее, поскольку НАСА должно провести новую конференцию.

Некоторые темы конференции:

• Получена новая информация о внутренностях НЗ, влияющая на то, какого они могут быть размера и как именно они сливаются.
• Получено первое изображение источника гравитационных волн в видимом свете, расположенного на задворках далёкой галактики, при помощи телескопа Swope. Центр галактики – это круг света, а стрелочки указывают на место взрыва.
• Теоретические подсчёты взрыва килоновой указывают на то, что обломки взрыва должны довольно быстро заблокировать видимый свет, поэтому взрыв быстро тускнеет в видимом свете – но инфракрасный свет остаётся гораздо дольше. Наблюдения телескопов в видимом и инфракрасном диапазонах подтверждают этот аспект теории; эти доказательства можно видеть на картинке выше, где через четыре дня яркое пятно стало гораздо тусклее и гораздо краснее.
• Оценка: общая масса возникшего в этом взрыве золота и платины гораздо больше массы Земли.
• Оценка: эти нейтронные звёзды сформировались порядка 10 млрд лет назад. Они вращались вокруг друг друга большую часть истории Вселенной, и закончили своё существование всего 130 млн лет назад, породив недавно обнаруженный нами взрыв.
• Большая загадка: все предыдущие зафиксированные нами вспышки гамма-лучей светились в ультрафиолете и рентгене точно так же, как и в гамма-диапазоне. Но в этот раз рентгеновские лучи не появились, по крайней мере, не сразу. Это стало большим сюрпризом. У телескопа Чандра ушло 9 дней на то, чтобы обнаружить рентгеновские лучи, слишком тусклые для любого другого телескопа. Значит ли это, что две НЗ создали ЧД, создавшую затем джет (релятивистскую струю ^[2]) материи, направленную не прямо на нас и подсвечивающую материю в межзвёздном пространстве? Такая возможность была предложена ещё 20 лет назад, но какие-то свидетельства в её пользу были получены впервые.
• Ещё один сюрприз: на открытие радиоволн ушло 16 дней, и открыли их при помощи самого мощного из существующих радиотелескопов, Very Large Array ^[3]. С тех пор радиоизлучение увеличивает яркость! Это, как и в случае с рентгеном, поддерживает идею о наличии джета, направленного в сторону от нас.
• До этого момента ничего подобного этой гамма-вспышке мы не видели – или, точнее, не опознавали. Когда у гамма-лучей нет появляющегося почти сразу рентгеновского компонента, это просто выглядит странно и немного загадочно. Наблюдать его труднее, чем большинство вспышек, поскольку если джет не смотрит прямо на нас, его послесвечение быстро сходит на нет. Более того, если джет смотрит на нас, то он получается таким ярким, что ослепляет нас и не даёт распознать детали свойств килоновы. Но на этот раз LIGO/VIRGO рассказали учёным: «Да, это слияние НЗ», что привело к детальному изучению на всех электромагнитных частотах, включая терпеливое многодневное исследование гамма-лучей и радиоизлучения. В других случаях эти наблюдения прекратились бы вскоре после начала, и всю эту историю могли не истолковать правильно.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник ^[4]