Что увидели гравитационно волновые и нейтринные телескопы
Впервые зафиксированы гравитационные волны от столкновения нейтронных звезд
Новости партнеров
17 августа 2017 года лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO и франко-итальянский детектор гравитационных волн VIRGO впервые зафиксировали гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Примерно через две секунды после этого космический гамма-телескоп NASA «Fermi» и астрофизическая гамма-лаборатория ESA «INTEGRAL» наблюдали короткий гамма-всплеск GRB170817A в той же области неба.
«Ученому редко выпадает случай стать свидетелем начала новой эры в науке. Это – один из таких случаев!» – сказала Елена Пиан из Астрофизического института Италии, автор одной из публикуемых в Nature статей.
Что такое гравитационные волны?
Гравитационные волны, создающиеся движущимися массами, являются маркерами самых жестоких событий во Вселенной и возникают при столкновении плотных объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды.
Их существование было предсказано еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном в Общей Теории Относительности. Однако, зафиксировать гравитационные волны удалось только спустя сто лет, поскольку только самые мощные из этих волн, обусловленные быстрыми изменениями скорости очень массивных объектов, могут быть зарегистрированы современными приемниками.
До сегодняшнего дня было поймано 4 сигнала гравитационных волн: трижды LIGO в одиночку фиксировал «рябь» пространства-времени, а 14 сентября 2017 года впервые гравитационные волны были пойманы сразу тремя детекторами (двумя детекторами LIGO в США и одним детектор VIRGO в Европе).
У четырех предыдущих событий есть одно общее – все они вызваны слиянием пар черных дыр, вследствие чего увидеть их источник невозможно. Теперь все изменилось.
Как обсерватории по всему миру «ловили» источник гравитационных волн
Совместная работа LIGO и VIRGO позволила позиционировать источник гравитационных волн в пределах обширного участка южного неба размером в несколько сотен дисков полной Луны, содержащего миллионы звезд. Более 70 обсерваторий по всему миру, а также космический телескоп NASA «Hubble» принялись наблюдать этот район неба в поисках новых источников излучения.
Первое сообщение об обнаружении нового источника света поступило спустя 11 часов с метрового телескопа «Swope». Оказалось, что объект находился очень близко к линзовидной галактике NGC 4993 в созвездии Гидры. Почти в то же время тот же источник был зарегистрирован телескопом Европейской южной обсерватории ESO «VISTA» в инфракрасных лучах. По мере того, как ночь продвигалась по земному шару на запад, объект наблюдался на Гавайских островах телескопами «Pan-STARRS» и «Subaru», причем была отмечена его быстрая эволюция.
Оценки расстояния до объекта, полученные как из гравитационно-волновых данных, так и из других наблюдений, дали согласующиеся результаты: GW170817 находится на том же расстоянии от Земли, что и галактика NGC 4993, то есть в 130 миллионах световых лет. Таким образом, это ближайший к нам из всех обнаруженных источников гравитационных волн и один из ближайших когда-либо наблюдавшихся источников гамма-всплесков.
Загадочная килоновая
После того, как массивная звезда взрывается в виде сверхновой, на ее месте остается сверхплотное сколлапсировавшее ядро: нейтронная звезда. Слияниями нейтронных звезд в основном объясняются и короткие гамма-всплески. Считается, что это событие сопровождается взрывом в тысячу раз более ярким, чем типичная новая – так называемой килоновой.
«Это ни на что не похоже! Объект очень быстро стал невероятно ярким, а затем начал стремительно исчезать, переходя от синего цвета к красному. Это невероятно!» – рассказывает Райан Фоули из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (США).
Почти одновременная регистрация гравитационных волн и гамма-лучей от GW170817 породила надежду на то, что это и есть давно разыскиваемая килоновая. Подробные наблюдения на инструментах ESO и космическом телескопе «Hubble» действительно обнаружили у этого объекта свойства очень близкие к теоретическим предсказаниям, сделанным более 30 лет назад. Таким образом, получено первое наблюдательное подтверждение существования килоновых.
Пока неясно, какой объект породило слияние двух нейтронных звезд: черную дыру или новую нейтронную звезду. Дальнейший анализ данных должен ответить на этот вопрос.
В результате слияния двух нейтронных звезд и взрыва килоновой происходит выброс радиоактивных тяжелых химических элементов, разлетающихся со скоростью в одну пятую скорости света. В течение нескольких дней – быстрее, чем при любом другом звездном взрыве – цвет килоновой меняется от ярко-голубого к очень красному.
«Данные, которые мы получили, великолепно согласуются с теорией. Это триумф теоретиков, подтверждение абсолютной реальности событий, зарегистрированных установками LIGO и VIRGO, и замечательное достижение ESO, которой удалось получить наблюдения килоновой», – рассказывает Стефано Ковино из Астрофизического института Италии, автор одной из публикуемых в Nature Astronomy статей.
Спектры, полученные инструментами на Очень большом телескопе ESO показывают присутствие цезия и теллура, выброшенных в пространство при слиянии нейтронных звезд. Эти и другие тяжелые элементы рассеиваются в космосе после взрывов килоновых. Таким образом, наблюдения указывают на формирование элементов тяжелее железа при ядерных реакциях в недрах сверхплотных звездных объектов. Этот процесс, называемый r-нуклеосинтезом, раньше был известен только в теории.
Важность открытия
Открытие ознаменовало рассвет новой эры в космологии: теперь мы можем не только слушать, но и видеть события, порождающие гравитационные волны! В краткосрочной перспективе анализ новых данных позволит ученым получить более точное представление о нейтронных звездах, а в будущем наблюдения подобных событий помогут объяснить продолжающееся расширение Вселенной, состав темной энергии, а также происхождение самых тяжелых элементов в космосе.
Исследования, описывающие открытие, представлены серией статей в журналах Nature, Nature Astronomy и Astrophysical Journal Letters.
Как поймать волну
Что мы узнали о мире, открыв гравитационные волны
Десятилетия поисков пришли к кульминации – учёные из международной коллаборации LIGO «поймали» гравитационные волны. На пресс-конференции 11 февраля 2016 года в Вашингтоне были представлены самые прямые и явные доказательства их существования, а заодно и всей общей теории относительности. О том, как ученый мир ловил волны и что собирается делать с пойманными, мы расспросили одного из создателей современной физической картины Вселенной – профессора Вячеслава Муханова.
Гравитационные волны были предсказаны самим Эйнштейном в статье 1918 года, которая таки называлась – Über Gravitationswellen, «О гравитационных волнах». Их существование следовало из созданной великим физиком общей теории относительности, которой в прошлом году исполнилось ровно сто лет.
Гравитация
В теории Эйнштейна пространство и время образуют единую сущность – пространственно-временной континуум. «Пространство-время» подобно непрерывной и нервущейся ткани, способной изгибаться, сжиматься или расширяться. Любая масса, будь то планеты, звезды или целые галактики, способна эту ткань деформировать, словно тяжёлый шар, образующий вокруг себя воронку на растянутой ткани. Воронка, образованная тяжёлыми телами в ткани пространства-времени, «затягивает» в себя другие объекты, отсюда и эффект, который мы называем гравитацией. По сути, гравитация – это и есть взаимодействие простанства-времени со всеми физическими телами, полями и прочими объектами.
Когда мы стучим по туго натянутой ткани на бонго, по ней пробегают волны. Точно такие же волны могут бежать по «туго натянутой» ткани пространства-времени – это и есть те самые гравитационные волны.
Но чем нужно «постучать», чтобы взволновать пространство-время? Несмотря на то, что гравитация – это цемент, с помощью которого связаны все звезды и галактики нашей Вселенной, тем не менее это самая слабая из четырёх фундаментальных сил, управляющих миром. Гравитационные волны рождаются даже когда вы просто берете в руки кружку или хлопаете руками, но эти волны очень слабые и почти никак не меняют пространство-время.
Именно такую систему двух сливающихся чёрных дыр массами в 30 масс Солнца под незапоминающимся названием GW150914 увидели два детектора LIGO. Эта система при слиянии излучила гравитационные волны с энергией, эквивалентной трём солнечным массам, и большая часть этой энергии была излучена в последние доли секунды перед слиянием.
Слияние черных дыр – событие, грандиозное по масштабам. Но, несмотря на всю его мощь, до нас дошли лишь очень слабые его отголоски. Дело в том, что слияние произошло давным-давно, в далёкой-далекой галактике – примерно миллиард лет назад. Пройдя расстояние в миллиард световых дет и дойдя до нас, волна изрядно ослабла. Все, на что может хватить ее сил – исказить пространство на тысячную долю размера атомного ядра. Но как можно увидеть такое слабое возмущение пространства?
Гравитационный телескоп
Для этого и создавался детектор LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). LIGO представляет из себя два тоннеля по четыре километра длиной, расположенных перпендикулярно друг к другу. На краях тоннелей расположены зеркала, между которыми бегает луч лазера. Два луча от двух тоннелей сводят и образуется интерференционная картинка. Если вдруг одно из зеркал по каким-то причинам двинется, то одно из плеч станет короче, соответствующий луч лазера пробежит меньшее или большее расстояние, и интерференционная картинка нарушится. Таким образом, нарушение этой картинки будет означать либо движение зеркал, либо укорачивание тоннеля, как при прохождении гравитационной волны.
Учёные из коллаборации LIGO считают, что открыли новую страницу в истории наблюдений Вселенной. О значении их открытия мы расспросили Вячеслава Муханова
— одного из самых известных космологов, изучающих пространство-время и гравитацию, работающего последние двадцать лет в Мюнхенском университете имени Людвига — Максимилиана
Танец гигантов
— Итак, мы наконец обнаружили гравитационные волны?
— В принципе, гравитационные волны находили и до этого. В общем-то за это даже давали Нобелевскую премию – Тейлору и Халсу. Они наблюдали системы двойных нейтронных звезд и увидели, что у них период обращения друг вокруг друга слегка изменяется. Теоретически двойные системы должны были терять энергию за счёт излучения гравитационных волн – и это изменение периода обращения как раз соответствовало теоретической модели. За этот результат, который в каком-то смысле и был открытием гравитационных волн, они и получили Нобелевку. Сейчас конечно, мы их поймали в более прямом смысле. Но всё-таки, точный момент открытия вещь относительная, раньше для меня и данные от двойных систем были достаточно убедительными, чтобы говорить об открытии гравитационных волн.
— А насколько уникальны события слияния чёрных дыр или взаимодействия нейтронных звёзд?
— Мы не знаем точно, есть конкурирующие модели устройства Вселенной, ответ на ваш вопрос зависит от параметров той или иной модели. Надо знать, сколько чёрных дыр рождалось во Вселенной и как это вообще происходит. Как появляются нейтронные звезды, сейчас более-менее ясно: сверхновая взрывается, и в ее ядре оседает нейтронная звезда. А как образуются большие чёрные дыры? Тоже есть куча гипотез, но никто пока не может сказать это на 100%. Но есть достаточно надёжные оценки некоторых событий. Чувствительность LIGO потому и повысили, что были расчеты и надежды что-то увидеть.
— Мы наблюдали именно за этим объектом? То есть мы заранее знали, что в этом месте будет происходить слияние черных дыр?
— Нет, просто увидели сигнал, когда LIGO посмотрел в определённом направлении.
— А можно что-то новое сказать про образовавшуюся «черную сверхдыру», имея теперь на руках данные гравитационных волн от этого события?
Бесконечные поиски и проверки
— А они точно нашли эти волны? Насколько «железобетонны» аргументы астрофизиков из LIGO?
— Это станет ясно в течение ближайшего года. Потому что если это настоящий сигнал, и если все оценки правильные это подтвердится дальнейшими наблюдениями. У Advanced LIGO существенно возросла чувствительность, мы сумели заползти как раз в ту область частот, где, по предварительным оценкам, должны ожидаться сигналы от компактных двойных систем. Конечно, объявлено, что сигнал реальный с огромной степенью вероятности (пять сигма). Но чтобы убедиться на 100%, надо немного подождать.
— Это открытие было ожидаемо у научном мире?
— Еще бы, конечно оно было ожидаемо! Гравитационные волны ищут с 1970-х. Об этом было море работ, и детекторов разных немало построили. Владимир Брагинский, разработавший несколько детекторов гравитационных волн, посвятил их поиску практически всю жизнь. Много было разных идей о том, как их детектировать. Кристаллы, например, пытались использовать, волна приходит, возмущает кристалл при очень низкой температуре, там появляются частички, которые называются фононами, и их регистрируют. Но в итоге оказалось, что все-таки самый многообещающий метод – это использовать лазерную интерферометрию как в LIGO, или как в детекторе GEO600 в Германии рядом с Ганновером.
Сейчас строятся и другие «гравитационные телескопы». Есть, например, еще проект под названием LISA, в рамках которого собираются запустить три спутника и создать с их помощью лазерный интерферометр в космосе. В конце прошлого года послали в космос протестировать аппаратуру, и, если все будет нормально, то сам эксперимент через 20 лет будут делать. В таких проектах речь идёт о десятилетиях.
— Почему их раньше не обнаружили, если так долго искали?
— Сигнал почему-то зафиксирован на частоте человеческого голоса, его даже можно послушать в сети. От чего вообще зависит частота гравитационной волны?
Что дальше
— Что можно увидеть, «наблюдая» гравитацию?
— Хотелось бы увидеть какие-то новые, невиданные ранее объекты во Вселенной. Гравитационные телескопы не дадут заглянуть очень далеко, но мы многое сможем увидеть, в близлежащих областях Вселенной, отстоящих не дальше, чем на 10 миллиардов световых лет.
— Как вам кажется, в перспективе возможно ли будет создать искусственный источник гравитационных волн, или антигравитационных?
— Я думаю, что нет. Гравитационные волны – это очень слабенькие вещи. Для того, чтобы у нас не Земле эту амплитуду получить, надо чтобы 30 солнечных масс слилось. Естественно, когда у нас на Земле вы двигаете рукой, то рука тоже гравитационные волны излучает. Но я не вижу в ближайшей перспективе возможности детектировать или как-то использовать эти гравитационные волны.
— Значит, это открытие не изменит будущее человечества?
— Кто же знает? Это фундаментальная наука. Никто никогда не знает, какие плоды принесет фундаментальная наука. Для заботы об улучшении человеческой жизни существует прикладная наука. А фундаментальная наука должна заботиться о том, чтобы открывать новые перспективы, и чтобы как можно больше узнать о мире, в котором мы живём. Не вся жизнь сводится к тому, чтобы есть, пить и извлекать из всего пользу.
— Есть гравитационные волны от астрофизических объектов вроде двойных систем, а есть первичные гравитационные волны, которые были в начале рождения нашей Вселенной. Можно ли использовать эту технологию, чтобы их поймать?
— Нет, с помощью этих детекторов первичные гравитационные волны увидеть ни как нельзя. Опять же, потому что у детекторов на этих частотах недостаточная чувствительность. И, к сожалению, нет перспектив и возможности опустить чувствительность на столько порядков величины, чтобы можно было наблюдать первичные гравитационные волны. В позапрошлом году пытались засечь первичные гравитационные волны другим способом – не с помощью интерферометров, а с помощью их влияния на флуктуации реликтового излучения. И даже поторопились объявить об их открытии, как потом оказалось, ошибочно.
— Честно говоря, трудно представить. Сейчас, по крайней мере, ничего не строится такого, чтобы было рассуждать про следующий шаг. Бозон Хиггса был открыт на ускорителе в Церне, который ведь немало времени строили. И на эксперименты по открытию гравитационных волн пришлось потратить несколько десятилетий. Надеюсь, что хоть эти огромные усилия окончательно увенчались успехом!
Вячеслав Муханов
Профессор, космолог, руководитель кафедры астрочастиц Мюнхенского университета имени Людвига-Максимилиана. Родился в 1956 году, учился в МФТИ, с 1992-го работал в Цюрихе, с 1997-го — в Мюнхене. Один из создателей инфляционной теории, которую считают самым важным вкладом в теоретическую физику за последние 30 лет. В 1981 году в сотрудничестве с Г. Чибисовым разработал модель возникновения крупномасштабной структуры Вселенной из квантовых флуктуаций. Предсказания этой теории были недавно подтверждены в экспериментах по измерению флуктуаций температуры реликтового излучения. В 2009 году вместе с А. Старобинским получил Tomalla Prize — одну из самых престижных наград в астрофизике, которую вручают за выдающийся вклад в общую теорию относительности и теорию гравитации.
Астрономы впервые услышали гравитационные волны от слияния нейтронных звезд
ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Ученые впервые в истории зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд — сверхплотных объектов массой с наше Солнце и размером с Москву. Возникшие затем гамма-всплеск и вспышку килоновой наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий — они смогли увидеть предсказанный теоретиками процесс синтеза тяжелых элементов, в том числе золота и платины, и подтвердить правоту гипотез о природе загадочных коротких гамма-всплесков, сообщают пресс-служба коллаборации LIGO/Virgo, Европейской Южной обсерватории и обсерватории Лос-Кумбрес. Результаты наблюдений могут пролить свет на загадку строения нейтронных звезд и образование тяжелых элементов во Вселенной.
Утром 17 августа 2017 года (в 8:41 по времени Восточного побережья США, когда в Москве было 15:41) автоматические системы на одном из двух детекторов гравитационно-волновой обсерватории LIGO зарегистрировали приход гравитационной волны из космоса. Сигнал получил обозначение GW170817, это был уже пятый случай фиксации гравитационных волн с 2015 года, с момента, когда они были впервые зарегистрированы. Всего за три дня до этого обсерватория LIGO впервые «услышала» гравитационную волну вместе с европейским проектом Virgo.
Однако в этот раз уже через две секунды после гравитационного события космический телескоп Fermi зафиксировал вспышку гамма-излучения на южном небе. Почти в этот же момент вспышку увидела европейско-российская космическая обсерватория INTEGRAL.
Автоматические системы анализа данных обсерватории LIGO пришли к выводу, что случайное совпадение этих двух событий крайне маловероятно. В ходе поиска дополнительной информации было обнаружено, что гравитационную волну увидел и второй детектор LIGO, но не зафиксировала европейская гравитационная обсерватория Virgo. Астрономы всего мира были подняты «по тревоге» — охоту на источник гравитационных волн и гамма-всплеска начали множество обсерваторий, в том числе Европейская Южная обсерватория и космический телескоп Hubble.
Изменение яркости и цвета килоновой после взрыва
Задача была непростой — комбинированные данные LIGO/Virgo, Fermi и INTEGRAL позволили очертить область площадью в 35 квадратных градусов — это примерная площадь нескольких сотен лунных дисков. Только через 11 часов небольшой телескоп Swope с метровым зеркалом, находящейся в Чили, сделал первый снимок предполагаемого источника — он выглядел как очень яркая звезда рядом с эллиптической галактикой NGC 4993 в созвездии Гидры. В течение последующих пяти дней яркость источника упала в 20 раз, а цвет постепенно смещался от синего к красному. Все это время за объектом наблюдали множество телескопов в диапазонах от рентгеновского до инфракрасного, пока в сентябре галактика не оказалась слишком близко к Солнцу, и стала недоступна для наблюдений.
Ученые пришли к выводу, что источник вспышки находился в галактике NGC 4993 на расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли. Это невероятно близко, до сих пор гравитационные волны приходили к нам с расстояний в миллиарды световых лет. Благодаря этой близости мы и смогли их услышать. Источником волны было слияние двух объектов с массами в диапазоне от 1,1 до 1,6 масс Солнца — это могли быть только нейтронные звезды.
Фотография источника гравитационных волн — NGC 4993, в центре различима вспышка
VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO
Сам всплеск «звучал» очень долго — около 100 секунд, слияния черных дыр давали всплески длительностью в доли секунды. Пара нейтронных звезд вращалась вокруг общего центра масс, постепенно теряя энергию в виде гравитационных волн и сближаясь. Когда расстояние между ними сократилось до 300 километров, гравитационные волны стали достаточно мощными, чтобы попасть в зону чувствительности гравитационных детекторов LIGO/Virgo. В момент слияния двух нейтронных звезд в один компактный объект (нейтронную звезду или черную дыру) происходит мощная вспышка гамма-излучения.
Такие гамма-вспышки астрономы называют короткими гамма-всплесками, гамма-телескопы фиксируют их примерно раз в неделю. Если природа длинных гамма-всплесков более понятна (их источники — вспышки сверхновых), то единства мнений насчет источников коротких всплесков не было. Существовала гипотеза, что их порождают слияния нейтронных звезд.
Теперь ученые смогли впервые подтвердить эту гипотезу, поскольку благодаря гравитационным волнам мы знаем массу слившихся компонентов, что доказывает что это именно нейтронные звезды.
«Десятилетия мы подозревали, что короткие гамма-всплески порождают слияния нейтронных звезд. Теперь, благодаря данным LIGO и Virgo об этом событии у нас есть ответ. Гравитационные волны говорят нам, что слившиеся объекты имели массы, соответствующие нейтронным звездам, а гамма-вспышка говорит, что эти объекты вряд ли могли быть черными дырами, поскольку столкновение черных дыр не должно порождать излучение», — говорит Джули МакЭнери, сотрудник проекта Fermi Центра космических полетов NASA имени Годдарда.
Кроме того, астрономы впервые получили однозначное подтверждение существования килоновых (или «макроновых») вспышек, которые примерно в 1000 раз мощнее вспышек обычных новых. Теоретики предсказывали, что килоновые могут возникать при слиянии нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.
При этом запускается процесс синтеза тяжелых элементов, основанный на захвате ядрами нейтронов (r-процесс), в результате которого во Вселенной появились многие из тяжелых элементов, таких как золото, платина или уран.
По подсчетам ученых, при одном взрыве килоновой может возникнуть огромное количество золота — до десяти масс Луны. До сих пор лишь единожды наблюдалось событие, которое могло быть взрывом килоновой.
Теперь же астрономы смогли впервые наблюдать не только рождение килоновой, но и продукты ее «работы». Спектры, полученные при помощи телескопов Hubble и VLT (Very Large Telescope), показали наличие цезия, теллура, золота, платины и других тяжелых элементов, образованных при слиянии нейтронных звезд.
«Пока данные, которые мы получили, великолепно согласуются с теорией. Это триумф теоретиков, подтверждение абсолютной реальности событий, зарегистрированных обсерваториями LIGO и Virgo, и замечательное достижение ESO, которой удалось получить такие наблюдения килоновой», — говорит Стефано Ковино (Stefano Covino), первый автор одной из статей в Nature Astronomy.
У ученых пока нет ответа на вопрос о том, что осталось после слияния нейтронных звезд — это может быть как черная дыра, так и новая нейтронная звезда, кроме того, не вполне ясно, почему гамма-всплеск оказался относительно слабым.
Гравитационные волны — волны колебаний геометрии пространства-времени, существование которых было предсказано общей теорией относительности. Впервые об их достоверном обнаружении коллаборация LIGO сообщила в феврале 2016 года — спустя 100 лет после предсказаний Эйнштейна. Подробнее о том, что такое гравитационные волны и как они могут помочь исследовать Вселенную можно прочитать в наших специальных материалах — «На гребне метрического тензора» и «За волной волна».