Золота жила. Відкрито гравітаційні хвилі зірок

Зафіксовані гравітаційні хвилі злиття нейтронних зірок

Докладно про найважливіше відкриття цього року - гравітаційні хвилі від злиття нейтронних зірок.

Астрономи вперше зафіксували гравітаційні хвилі від злиття нейтронних зірок. Подія сталася в обсерваторії LIGO ще 17 серпня, але повідомили про неї тільки 16 жовтня.

Спостереженнями займалися 70 груп вчених, а співавторами однієї зі статей, присвячених цій події, стали 4,6 тис. вчених - більше третини всіх астрономів світу.

 

ЗМІ розбиралися у відкритті, яке може прокласти курс для нової епохи в астрономії і пояснити космічне походження золота.

 

Столітня мрія вчених

 

Гравітаційні хвилі передбачив Альберт Ейнштейн у загальній теорії відносності 100 років тому. З тих пір вчені намагалися довести їх існування.

 

Гравітаційні хвилі - це хвилювання простору-часу, що випромінюється рухомими масами і поширюється зі швидкістю світла.

 

Обсерваторія LIGO // ligo.caltech.edu

 

Вперше їх вдалося зафіксувати 14 вересня 2015 року за допомогою величезних детекторів Лазерно-інтерферометричної обсерваторії гравітаційних хвиль (LIGO).

 

Про відкриття оголосили 11 лютого 2016 року, а в жовтні 2017 року американським дослідникам Кіпу Торну, Райнеру Вайсу і Баррі Беришу присудили Нобелівську премію з фізики за роботу зі створення LIGO.

Близько мільярда років тому на відстані 1,3 млрд світлових років від Землі дві чорні діри масою 36 і 29 мас Сонця кружляли одна навколо одної, поступово зближуючись під впливом взаємного тяжіння, поки не зіткнулися і не злилися воєдино.

У результаті такого зіткнення стався колосальний викид енергії: за частки секунди майже три сонячні маси перетворилися в гравітаційні хвилі, максимальна потужність випромінювання яких була майже в 50 разів більша, ніж від усього видимого Всесвіту.

 

Зближення, зіткнення і злиття двох чорних дір призвело до безладу в навколишньому просторово-часовому континуумі і відправило в усіх напрямках зі швидкістю світла потужні гравітаційні хвилі.

 

До того моменту, коли ці хвилі досягли нашої планети, колись потужний рев космічних масштабів перетворився в ледь чутний шепіт. Його й зафіксували на LIGO.

 

Шепіт гравітаційних хвиль можна послухати:

До реєстрації гравітаційних хвиль про поведінку гравітації вчені знали тільки на прикладі небесної механіки, взаємодії небесних тіл. Але було зрозуміло, що гравітаційне поле має хвилі, а простір-час може деформуватися в подібний спосіб.

 

Те, що ми до цього не бачили гравітаційних хвиль, було білою плямою в сучасній фізиці. Зараз ця біла пляма закрита, закладено ще одну цеглину у фундамент сучасної фізичної теорії. Це фундаментальне відкриття. Нічого порівнянного за останні роки не було.

 

Після подальшого розвитку технологій можна буде говорити про гравітаційну астрономію - про те, щоб спостерігати за слідами найбільш високоенергічних подій у Всесвіті.

 

Нове відкриття

 

Початком нової епохи в астрономії і фізики стала прозвучала в понеділок заява вчених про те, що вони вперше виявили брижі простору-часу, відомі як гравітаційні хвилі, які утворилися в результаті зіткнення двох нейтронних зірок.

 

Сімнадцятого серпня ці хвилі з космосу досягли Землі в районі Індійського океану і були зареєстровані двома детекторними станціями LIGO і європейським детектором Virgo, розташованим в Італії.

Це вже п'ятий випадок за останні два роки, коли вчені фіксують такі хвилі. Однак усі помічені раніше гравітаційні хвилі виникали від злиття чорних дір.

 

Ці чорні діри мають таку величезну щільність, що не випускають світла. Тому таке злиття чорних дір, по суті справи, неможливо виявити звичайними телескопами.

Однак злиття нейтронних зірок розпочинається з об'єктів, які порівняно із чорними дірами можуть бути дуже легкими. Нейтронна зірка - це надміру стисле ядро ​​закінчилої свій вік масивної зірки, і формується вона після вибуху наднової.

 

Її гравітаційне поле має достатню силу для того, щоб здавити і зруйнувати матерію масою із ціле Сонце, перетворивши її у сферу з нейтронів розміром з велике місто.

 

Отже, це не зірка у звичному розумінні, а більшою мірою ядро ​​атома розміром з невелике місто.

 

Сила тяжіння нейтронної зірки занадто мала, щоб утримувати світло, а тому спалах від зіткнення двох таких зірок може проникнути в космос, створивши не тільки гравітаційні хвилі, але й один з найяскравіших феєрверків у Всесвіті.

 

Цей феєрверк змогли спостерігати всі астрономи і фізики, які знали про подію, ну й везунчики, які навелися на галактику NGC 4993 у сузір'ї Гідри.

 

Коли початковий імпульс гравітаційних хвиль подав сигнал про початок злиття, феєрверк складався зі спалаху гамма-випромінювання довжиною у 2 сек. і післясвітіння різної довжини хвиль, яке тривало кілька тижнів.

 

Через дев'ять днів після фіксації імпульсу астрономам вдалося отримати зображення в рентгенівському діапазоні, а через 16 днів - у радіочастотному. Через деякий час Сонце наблизилося до галактики, і у вересні спостереження стало неможливим.

 

Запис спалаху злиття нейтронних зірок:

 

 

Як розповіли вчені, маса злитих нейтронних зірок становила 1,1 і 1,6 маси Сонця (точнішою визначена сумарна маса - близько 2,7 маси Сонця). Перші гравітаційні хвилі виникли, коли відстань між об'єктами становила 300 км.

 

Великою несподіванкою стала невелика відстань від цієї системи до Землі - близько 130 млн світлових років.

 

Для порівняння: це лише в 50 разів далі, ніж від Землі до Туманності Андромеди, і майже на порядок менше, ніж відстань від нашої планети до чорних дір, зіткнення яких фіксували раніше LIGO і Virgo.

 

Окрім того, зіткнення стало найближчим до Землі джерелом короткого гамма-сплеску.

 

Гравітаційні хвилі від злиття нейтронних зірок можна послухати:

І тут:

Подвійні нейтронні зірки відомі з 1974 року. Однак до сих пір усі відомі такі системи знаходилися в нашій Галактиці, а стабільність їх орбіт була достатньою, щоб вони не зіткнулися протягом найближчих мільйонів років.

 

Нова пара зірок зблизилася настільки, що почалася взаємодія і почав розвиватися процес перенесення речовини.

 

Подія отримала назву кілонової. Дослівно це означає, що яскравість спалаху була майже в тисячу разів могутнішою, ніж типові спалахи нових зірок - подвійних систем, у яких компактний компаньйон перетягує на себе матерію.

 

Чому це відкриття таке важливе

 

Гамма-сплески - це одні з найбільш високоенергетичних явищ у Всесвіті. Потужність одного такого сплеску достатня, щоб за секунди викинути в навколишній простір стільки ж енергії, скільки Сонце генерує за 10 млн років.

 

Розрізняють короткі і довгі гамма-сплески; при цьому вважається, що це різні за своїм механізмом явища. Наприклад, джерелом довгих сплесків вважаються колапси масивних зірок.

 

Джерелами коротких гамма-сплесків, імовірно, є злиття нейтронних зірок. Однак до сих пір прямих підтверджень цьому не було. Нові спостереження - найвагоміший на сьогоднішній день доказ існування цього механізму.

 

Відкриття також пояснило, звідки у Всесвіті важкі метали. Нуклеосинтез - злиття ядер у зірках - дозволяє отримати величезний спектр хімічних елементів.

 

Для легких ядер реакції злиття протікають з виділенням енергії і загалом енергетично вигідні. Для елементів, чия маса близька до маси заліза, енергетичний виграш виявляється вже не настільки великим.

Через це в зірках майже не утворюються елементи, важчі за залізо, - винятком є ​​вибухи наднових.

 

Однако їх недостатньо для пояснення поширеності золота, лантанидів, урану та інших важких елементів у Всесвіті.

У 1989 році фізики припустили, що за це може відповідати r-нуклеосинтез у злиттях нейтронних зірок.

 

Спектральні дослідження описуваної події показали виразні сліди народження важких елементів. Астрономи виявили присутність цезію, телуру, золота і платини. Також є свідчення утворення ксенону, йоду і сурми.

 

За оцінками фізиків, у результаті досліджуваного зіткнення була викинута загальна маса легких і важких елементів, еквівалентна 40 масам Юпітера. Одного лише золота, згідно з теоретичними моделями, утворюється близько 10 мас Місяця.

 

Це переконливий доказ того, що злиття нейтронних зірок є космічним плавильним котлом, у якому з'являються важкі елементи нашого Всесвіту, включаючи уран, платину і золото.

Отже, радіоактивний матеріал у ядерному реакторі чи золото в обручці є результатом зіткнення нвйменших, найщільніших і найбільш екзотичних зірок у нашому Всесвіту - нейтронних.

 

Це відкриття допоможе вирішити безперервні дебати навколо питання космічного походження важких елементів, якими теоретики займаються понад півстоліття.

 

Основна частина водню і гелію в нашому Всесвіті з'явилася в перші моменти після Великого вибуху. А більшість легких елементів, таких, як кисень, вуглець, азот та інші, сформувалися в результаті ядерного синтезу в зірках.

 

Утім, на питання про походження найважчих елементів до теперішнього часу не було відповіді.