Золотая жила. Открыты гравитационные волны звезд

Подробно о важнейшем открытии этого года - гравитационных волнах от слияния нейтронных звезд.

Астрономы впервые зафиксировали гравитационные волны от слияния нейтронных звезд. Событие произошло в обсерватории LIGO еще 17 августа, но сообщили о нем только 16 октября.

Наблюдениями занимались 70 групп ученых, а соавторами одной из статей, посвященных этому событию, стали 4,6 тысяч ученых - больше трети всех астрономов мира. 

Корреспондент.net разбирался в открытии, которое может проложить курс для новой эпохи в астрономии и объяснить космическое происхождение золота.

Столетняя мечта ученых

Гравитационные волны предсказал Альберт Эйнштейн в общей теории относительности 100 лет назад. С тех пор ученые пытались доказать их существование.

Гравитационные волны - это возмущения пространства-времени, излучаемые движущимися массами и распространяющиеся со скоростью света. 

Впервые их удалось зафиксировать 14 сентября 2015 года при помощи огромных детекторов Лазерно-интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO).

Об открытии объявили 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 LIGO. 

Около миллиарда лет тому назад на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Земли две черные дыры массой 36 и 29 масс Солнца кружили одна вокруг другой, постепенно сближаясь под воздействием взаимного тяготения, пока не столкнулись и не слились воедино.

В результате такого столкновения произошел колоссальный выброс энергии - за доли секунды примерно три солнечные массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.

Сближение, столкновение и слияние двух черных дыр привело в беспорядок окружающий пространственно-временной континуум и отправило во всех направлениях со скоростью света мощные гравитационные волны.

К тому моменту, когда эти волны достигли нашей планеты, некогда мощный рев космических масштабов превратился в едва различимое шепот. Его и зафиксировали на LIGO.

Шепот гравитационных волн можно послушать:

До регистрации гравитационных волн о поведении гравитации ученые знали только на примере небесной механики, взаимодействия небесных тел. Но было понятно, что гравитационное поле имеет волны и пространство-время может деформироваться подобным образом.

То, что мы до этого не видели гравитационных волн, было белым пятном в современной физике. Сейчас это белое пятно закрыто, положен еще один кирпич в основание современной физической теории. Это фундаментальнейшее открытие. Ничего сравнимого за последние годы не было.

После дальнейшего развития технологий можно будет говорить о гравитационной астрономии - о том, чтобы наблюдать следы наиболее высокоэнергичных событий во Вселенной. 

Новое открытие

Началом новой эпохи в астрономии и физики стало прозвучавшее в понедельник заявление ученых о том, что они впервые обнаружили рябь пространства-времени, известную как гравитационные волны, которые образовались в результате столкновения двух нейтронных звезд.

17 августа эти волны из космоса достигли Земли в районе Индийского океана и были зарегистрированы двумя детекторными станциями LIGO и европейским детектором Virgo, расположенным в Италии.

Это уже пятый случай за последние два года, когда ученые фиксируют такие волны. Однако все замеченные ранее гравитационные волны возникали от слияния черных дыр.

Эти черные дыры имеют такую огромную плотность, что не выпускают свет. Поэтому такое слияние черных дыр по сути дела невозможно обнаружить обычными телескопами.

Однако слияние нейтронных звезд начинается с объектов, которые по сравнению с черными дырами могут быть очень легкими. Нейтронная звезда - это сильно сжатое ядро закончившей свой век массивной звезды, и формируется она после взрыва сверхновой.

Ее гравитационное поле обладает достаточной силой для того, чтобы сдавить и разрушить материю массой с целое Солнце, превратив ее в сферу из нейтронов размером с город.

Таким образом, это не звезда в обычном понимании, а в большей степени ядро атома размером с небольшой город.

Сила притяжения нейтронной звезды слишком мала, чтобы удерживать свет, а поэтому вспышка от столкновения двух таких звезд может проникнуть в космос, создав не только гравитационные волны, но и один из самых ярких фейерверков во Вселенной.

Это фейерверк смогли наблюдать все астрономы и физики, знавшие о событии, ну и везунчики, которые навелись на галактику NGC 4993 в созвездии Гидры.

Когда первоначальный импульс гравитационных волн подал сигнал о начале слияния, фейерверк состоял из вспышки гамма-излучения длиной в две секунды и послесвечения разной длины волн, которое длилось несколько недель.

Через девять дней после фиксаци импульса астрономам удалось получить изображение в рентгеновском диапазоне, а через 16 дней - в радиочастотном. Через некоторое время Солнце приблизилось к галактике и в сентябре наблюдения стали невозможными.

Как рассказали ученые, масса слившихся нейтронных звезд составляла 1,1 и 1,6 массы Солнца (более точно определена суммарная масса - около 2,7 массы Солнца). Первые гравитационные волны возникли, когда расстояние между объектами составляло 300 километров.

Большой неожиданностью стало небольшое расстояние от этой системы до Земли - около 130 миллионов световых лет.

Для сравнения, это всего в 50 раз дальше, чем от Земли до Туманности Андромеды, и почти на порядок меньше, чем расстояние от нашей планеты до черных дыр, столкновение которых фиксировали ранее LIGO и Virgo.

Кроме того, столкновение стало самым близким к Земле источником короткого гамма-всплеска.

Гравитационные волны от слияния нейтронных звезд можно послушать:

И тут:

Двойные нейтронные звезды известны с 1974 года. Однако до сих пор все известные такие системы находились в нашей Галактике, а стабильность их орбит была достаточной, чтобы они не столкнулись в течение ближайших миллионов лет.

Новая пара звезд сблизилась настолько, что началось взаимодействие и стал развиваться процесс переноса вещества.

Событие получило название килоновой. Дословно это означает, что яркость вспышки была примерно в тысячу раз мощнее, чем типичные вспышки новых звезд - двойных систем, в которых компактный компаньон перетягивает на себя материю.

Почему это открытие так важно

Гамма-всплески - это одни из самых высокоэнергетических явлений во Вселенной. Мощность одного такого всплеска достаточна, чтобы за секунды выбросить в окружающее пространство столько же энергии, сколько Солнце генерирует за 10 миллионов лет.

Различают короткие и длинные гамма-всплески; при этом считается, что это различные по своему механизму явления. К примеру, источником длинных всплесков считаются коллапсы массивных звезд.

Источниками коротких гамма-всплесков предположительно являются слияния нейтронных звезд. Однако до сих пор прямых подтверждений этому не было. Новые наблюдения - самое веское на сегодняшний день доказательство существования этого механизма.

Открыти также объяснило, откуда во Вселенной тяжелые металлы. Нуклеосинтез - слияние ядер в звездах - позволяет получить огромный спектр химических элементов.

Для легких ядер реакции слияния протекают с выделением энергии и в целом энергетически выгодны. Для элементов, чья масса близка к массе железа, энергетический выигрыш оказывается уже не настолько большим.

Из-за этого в звездах почти не образуются элементы тяжелее железа - исключением являются взрывы сверхновых.

Однак их недостаточно для объяснения распространенности золота, лантанидов, урана и других тяжелых элементов во Вселенной.

В 1989 году физики предположили, что за это может отвечать r-нуклеосинтез в слияниях нейтронных звезд. 

Спектральные исследования описываемого события показали отчетливые следы рождения тяжелых элементов. Астрономы обнаружили присутствие цезия, теллура, золота и платины. Также есть свидетельства образования ксенона, иода и сурьмы.

По оценкам физиков, в результате исследуемого столкновения была выброшена общая масса легких и тяжелых элементов, эквивалентная 40 массам Юпитера. Одного лишь золота, согласно теоретическим моделям, образуется около десяти масс Луны.

Это убедительное доказательство того, что слияние нейтронных звезд является космическим плавильным котлом, в котором появляются тяжелые элементы нашей Вселенной, включая уран, платину и золото.

Таким образом радиоактивный материал в ядерном реакторе или золото в обручальном кольце являются результатом столкновения самых маленьких, самых плотных и самых экзотических звезд в нашей Вселенной - нейтронных.

Данное открытие поможет разрешить непрекращающиеся дебаты по вопросу космического происхождения тяжелых элементов, которыми теоретики занимаются более полувека.

Основная часть водорода и гелия в нашей Вселенной появилась в первые моменты после большого взрыва. А большинство легких элементов, таких как кислород, углерод, азот и так далее, сформировались в результате ядерного синтеза в звездах.

Но на вопрос о происхождении самых тяжелых элементов до настоящего времени не было ответа.