Naukowcy po raz pierwszy w historii zarejestrowali fale grawitacyjne z połączenia dwóch gwiazd neutronowych - obiektów supergęstych o masie naszego Słońca i wielkości Moskwy. Powstały rozbłysk gamma i rozbłysk kilonowa były obserwowane przez około 70 naziemnych i kosmicznych obserwatoriów - były w stanie zobaczyć przewidywany przez teoretyków proces syntezy ciężkich pierwiastków, w tym złota i platyny, oraz potwierdzić słuszność hipotez dotyczących natury tajemniczych krótkich rozbłysków gamma - podała służba prasowa współpracy. LIGO / Virgo, Europejskie Obserwatorium Południowe i Obserwatorium Los Cumbres. Wyniki obserwacji mogą rzucić światło na tajemnicę budowy gwiazd neutronowych i powstawania ciężkich pierwiastków we Wszechświecie.
Rankiem 17 sierpnia 2017 r. (O godzinie 8:41 czasu wschodniego wybrzeża USA, kiedy w Moskwie była 15:41) automatyczne systemy na jednym z dwóch detektorów obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO zarejestrowały nadejście fali grawitacyjnej z kosmosu. Sygnał otrzymał oznaczenie GW170817, był to piąty przypadek utrwalenia fal grawitacyjnych od 2015 roku, od czasu ich pierwszej rejestracji. Zaledwie trzy dni wcześniej obserwatorium LIGO po raz pierwszy „usłyszało” falę grawitacyjną wraz z europejskim projektem Virgo.
Jednak tym razem, zaledwie dwie sekundy po zdarzeniu grawitacyjnym, teleskop kosmiczny Fermiego wykrył rozbłysk gamma na południowym niebie. Niemal w tym samym momencie wybuchła epidemia w Europejsko-Rosyjskim Obserwatorium Kosmicznym INTEGRAL.
Systemy automatycznej analizy danych obserwatorium LIGO stwierdziły, że zbieżność tych dwóch zdarzeń jest niezwykle nieprawdopodobna. W trakcie poszukiwań dodatkowych informacji odkryto, że falę grawitacyjną widział drugi detektor LIGO, a także europejskie obserwatorium grawitacyjne Virgo. Astronomowie na całym świecie zostali zaalarmowani o poszukiwaniach źródła fal grawitacyjnych i błysków gamma, rozpoczęło się wiele obserwatoriów, w tym Europejskie Obserwatorium Południowe i Kosmiczny Teleskop Hubble'a.
Zmiana jasności i koloru kilonowej po wybuchu.
Zadanie nie było łatwe - połączone dane z LIGO / Virgo, Fermi i INTEGRAL pozwoliły nam wyznaczyć obszar o powierzchni 35 stopni kwadratowych - to przybliżony obszar kilkuset dysków księżycowych. Zaledwie 11 godzin później mały teleskop Swope z metrowym zwierciadłem znajdujący się w Chile wykonał pierwsze zdjęcie rzekomego źródła - wyglądało to jak bardzo jasna gwiazda obok galaktyki eliptycznej NGC 4993 w konstelacji Hydry. W ciągu następnych pięciu dni jasność źródła spadła 20 razy, a kolor stopniowo zmieniał się z niebieskiego na czerwony. Przez cały ten czas obiekt był obserwowany przez wiele teleskopów w zakresach od rentgenowskiego do podczerwonego, aż we wrześniu galaktyka znalazła się zbyt blisko Słońca i stała się niedostępna do obserwacji.
Naukowcy doszli do wniosku, że źródło wybuchu znajdowało się w galaktyce NGC 4993 w odległości około 130 milionów lat świetlnych od Ziemi. Jest niesamowicie blisko, do tej pory fale grawitacyjne docierały do nas z odległości miliardów lat świetlnych. Dzięki tej bliskości mogliśmy ich usłyszeć. Źródłem fali było połączenie dwóch obiektów o masach w zakresie od 1,1 do 1,6 mas Słońca - mogły to być jedynie gwiazdy neutronowe.
Zdjęcie źródła fal grawitacyjnych - NGC 4993 z błyskiem pośrodku.
Film promocyjny:
Sam wybuch "brzmiał" bardzo długo - około 100 sekund, połączenie czarnych dziur dawało wybuchy trwające ułamek sekundy. Para gwiazd neutronowych obracała się wokół wspólnego środka masy, stopniowo tracąc energię w postaci fal grawitacyjnych i zbiegając się. Gdy odległość między nimi zmniejszyła się do 300 kilometrów, fale grawitacyjne stały się na tyle silne, że trafiły w strefę czułości detektorów grawitacyjnych LIGO / Virgo. Kiedy dwie gwiazdy neutronowe łączą się w jeden zwarty obiekt (gwiazdę neutronową lub czarną dziurę), następuje potężny wybuch promieniowania gamma.
Astronomowie nazywają takie rozbłyski promieniami gamma krótkimi; teleskopy gamma rejestrują je mniej więcej raz w tygodniu. Jeśli natura długich GRB jest bardziej zrozumiała (ich źródłem są wybuchy supernowych), nie było zgody co do źródeł krótkich rozbłysków. Pojawiła się hipoteza, że powstają w wyniku łączenia się gwiazd neutronowych.
Teraz naukowcom udało się po raz pierwszy potwierdzić tę hipotezę, ponieważ dzięki falom grawitacyjnym znamy masę połączonych składników, co dowodzi, że są to właśnie gwiazdy neutronowe.
„Od dziesięcioleci podejrzewaliśmy, że krótkie GRB powodują łączenie się gwiazd neutronowych. Teraz, dzięki danym z LIGO i Virgo na temat tego wydarzenia, mamy odpowiedź. Fale grawitacyjne mówią nam, że połączone obiekty miały masy odpowiadające gwiazdom neutronowym, a rozbłysk gamma mówi nam, że te obiekty nie mogą być czarnymi dziurami, ponieważ zderzenie czarnych dziur nie powinno generować promieniowania - mówi Julie McEnery, oficer projektu w Fermi Center lot kosmiczny NASA nazwany Goddard.
Ponadto astronomowie po raz pierwszy otrzymali jednoznaczne potwierdzenie istnienia rozbłysków kilonowych (lub „makronowych”), które są około 1000 razy silniejsze niż konwencjonalne rozbłyski nowej. Teoretycy przewidzieli, że kilonow może powstać z połączenia gwiazd neutronowych lub gwiazdy neutronowej i czarnej dziury.
To powoduje syntezę ciężkich pierwiastków, polegającą na wychwytywaniu neutronów przez jądra (proces r), w wyniku czego we Wszechświecie pojawiło się wiele ciężkich pierwiastków, takich jak złoto, platyna czy uran.
Zdaniem naukowców przy jednej eksplozji kilonowej może powstać ogromna ilość złota - do dziesięciu razy większa niż masa księżyca. Do tej pory zaobserwowano tylko jedno zdarzenie, które może być eksplozją kilonowej.
Teraz astronomowie mogli po raz pierwszy zaobserwować nie tylko narodziny kilonowej, ale także produkty jej „pracy”. Widma uzyskane za pomocą teleskopów Hubble'a i VLT (Very Large Telescope) wykazały obecność cezu, telluru, złota, platyny i innych ciężkich pierwiastków powstałych w wyniku łączenia się gwiazd neutronowych.
„Jak dotąd dane, które otrzymaliśmy, doskonale zgadzają się z teorią. To triumf dla teoretyków, potwierdzenie absolutnej realności wydarzeń zarejestrowanych przez obserwatoria LIGO i VIrgo oraz niezwykłe osiągnięcie ESO w uzyskaniu takich obserwacji kilonowej”- mówi Stefano Covino, pierwszy autor artykułu w Nature Astronomy.
Naukowcy nie mają jeszcze odpowiedzi na pytanie, co pozostaje po połączeniu gwiazd neutronowych - może to być czarna dziura lub nowa gwiazda neutronowa, ponadto nie jest do końca jasne, dlaczego rozbłysk gamma był stosunkowo słaby.
Fale grawitacyjne to fale oscylacji geometrii czasoprzestrzeni, których istnienie przewidziała ogólna teoria względności. Po raz pierwszy współpraca LIGO ogłosiła niezawodne wykrywanie w lutym 2016 r. - 100 lat po przewidywaniach Einsteina.
Alexander Voytyuk