Гравитационное событие GW170817

17 августа 2017 года произошло событие, которое трудно переоценить для астрофизики и космологии. Впервые зарегистрированы гравитационные волны не от слияния черных дыр, а от слияния двух нейтронных звезд общей массой от 2.7 до 3.3 M₀ (масс Солнца). При этом от их слияния образовался новый астрономический объект, а в энергию гравитационных волн преобразовано около 0.025 M₀. Источник электромагнитного сигнала находился в галактике NGC 4993 (созвездие Гидры). Наблюдение сигнала GW170817 сразу тремя детекторами позволило определить направление на его источник. Локализация источника определена внутри области на небесной сфере в телесном угле 28 квадратных градусов (с доверительной вероятностью 90 %). Источник гамма-всплеска находится внутри этой области. Расстояние до источника – около 40Мпк. Событие было зарегистрировано обеими гравитационно-волновыми станциями LIGO в США и станцией VIRGO в Европе. Казалось бы, может ли быть такой уж значительной разница наблюдения слияния черных дыр и нейтронных звезд? Оказывается, эта разница очень велика.

Рис.1. Галактика NGC NGC 4993.

Сам гравитационный всплеск «звучал» очень долго — около 100 секунд, в то время как 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.

Рис.2. Изменение частоты обращения сливающихся нейтронных звезд (чирп) на детекторе LIGO. (https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817)

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.

Всего спустя около 2 секунд после наблюдения гравитационной волны, космический телескоп Ферми зарегистрировал короткий гамма-всплеск GRB170817A, длившийся 1.7 секунды. Независимо от него такой же всплеск зарегистрировала орбитальная астрофизическая гамма-лаборатория ESA INTEGRAL.

Рис.3. Короткий гамма-всплеск, зарегистрированный телескопом Ферми. (https://nauka.vesti.ru/article/1106184)

Рис.4. Совместная регистрация гравитационно-волнового события GW170817, и одновременного излучения короткого гамма-всплеска GRB170817A телескопом Ферми в двух диапазонах энергии квантов и телескопом INTEGRAL. Изображение из статьи B.P. Abbott et al. ApJ Letters, V. 848, Number 2

Сигналы такой величины, как GW170817 или GRB170817A часто называются триггерами – с них начинается другая астрономическая деятельность. В данном случае после появления триггеров была запущена автоматическая рассылка сообщений для сообщества астрономов, в этот день они начали наблюдения и увидели угасающий свет от события, расположенного в галактике NGC 4993, созвездие Гидры. Зарегистрированная гравитационная волна была самой мощной из всех, регистрировавшихся ранее. Оптическую компоненту первым открыл телескоп Swope в Чили, и за ним, независимо от него, еще пять команд. Координаты были сразу опубликованы в закрытой сети, благодаря чему послесвечение наблюдали в разных диапазонах множество телескопов. Все эти телескопы после получения сообщения немедленно прекратили свои наблюдения и навелись по этим координатам. В ESO началась одна из крупнейших за всю историю обсерватории внеплановых наблюдательных кампаний. Многочисленные телескопы обсерватории и ее партнеров непрерывно следили за новым объектом на протяжении нескольких недель после его открытия. 

Событие GW170817 дало важнейшие результаты и для астрофизики, и для фундаментальной физики.

Астрофизические результаты.

1. Килоновые. Двойные нейтронные звезды известны с 1974 года — одну из таких систем открыли нобелевские лауреаты Рассел Халс и Джозеф Тейлор. Однако до сих пор все известные двойные нейтронные звезды 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.

«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 конкретно объект породило слияние двух нейтронных звезд. Дальнейший анализ данных должен ответить на этот вопрос.

 Существует две возможности: или этот объект стал самой массивной из известных нам нейтронной звездой, или самой легкой из известных нам черной дырой. Обе версии захватывающи и заманчивы, но качества данных пока не хватает чтобы выделить одну. Все, что мы знаем об объекте - чем бы он ни был, он имеет массу около 2.74 солнечной.

(https://www.ligo.org/science/Publication-GW170817BNS/translations/science-summary-russian.pdf)

(http://www.decoder.ru/list/all/topic_423/)

2. Короткие гамма-всплески. 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.

«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 НАСА имени Годдарда  (https://www.interfax.ru/world/583429).

3. Нуклеосинтез тяжелых элементов. Через две недели оптические наблюдения обнаружили признаки радиоактивного распада, так называемый r-процесс (r-нуклеосинез), с образованием химических элементов группы лантаноидов и других тяжелых элементов, в том числе золота и платины. Ранее этот процесс был известен только в теории. Это говорит о том, что при r-процессе возможен захват нейтронов и образование химических элементов тяжелее железа. Процесс основан на захвате ядрами нейтронов, в результате которого во Вселенной появились многие из тяжелых элементов, таких как золото, платина или уран.

Суть проблемы создания тяжелых элементов заключается в том, что если добавлять в них нейтроны по одному, то новые тяжелые элементы будут нестабильными изотопами и успеют распасться — это называется медленным нейтронным захватом, и его характерное время составляет десять тысяч лет. Он протекает в ядрах старых массивных звезд и даже близко не может объяснить появление такого большого количества тяжелых элементов. Тот Ферми-газ, который образуется из выкинутых взрывом элементов, настолько обогащен нейтронами (10²¹ см^-3), что они за несколько микросекунд успевают буквально нашпиговать атомное ядро. Набирая нейтроны, элемент успевает перескочить шаткий мостик нестабильности, где его поджидает распад, и попасть в долину ядерной стабильности. Так получается новый элемент, время полураспада которого может исчисляться миллиардами лет.

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.

Что касается фундаментальной физики и космологии, то наиболее весомый вклад в нее со стороны рассматриваемого события состоит в следующем.

1. Скорость распространения гравитации. Событие GW170817, зарегистрированное в гравитационных волнах, было зарегистрировано в электромагнитных волнах, причем, во всех диапазонах: в гамма-лучах, в рентгене, в ультрафиолете, в оптике, в инфракрасном и в радиодиапазонах (https://habr.com/ru/post/409627/). Это позволило поставить победную точку в серии удачных и неудачных попыток измерения скорости гравитации. Если первое зарегистрированное 14 сентября 2015 года событие слияния черных дыр GW150914, за которое была присуждена Нобелевская премия 2017 года, ограничило скорость гравитации величиной не более 1.7 от скорости света, то по результатам GW170817, если отклонение существует, оно лежит в пределах от −3×10⁻¹⁵ до +0,7×10⁻¹⁵, то есть совместимо с нулём в пределах погрешности.

2. Размерность пространства-времени. В новой работе сотрудники гравитационно-волновых антенн Virgo и LIGO провели ряд проверок общей теории относительности, в том числе проверили, существуют ли дополнительные измерения, так как их наличие должно влиять на гравитационные волны и ослаблять их. Основным критерием в данном случае должна было стать диспропорция между уменьшением амплитуды электромагнитных и гравитационных волн. Ученые не зафиксировали ничего подобного, что говорит о том, что гравитация существует лишь в четырех измерениях. Была получена оценка размерности пространства-времени 4±0.1 и оценка нижней границы времени жизни гравитона 4.5∙10⁸ лет.

3. Выполнены проверки лоренц-инвариантности и принципа эквивалентности.

4. Метод стандартных сирен для определения расстояний.

Метод стандартных сирен в гравитации является аналогом метода стандартных свечей в оптике. Он основан чисто на релятивистской теории, позволяющей определить расстояние до сближающейся пары нейтронных звезд по ее чирпу – амплитуде и частотных характеристиках гравитационной волны. Этот метод был впервые предложен в заметке профессора Кардиффского университета Бернарда Шутца (Bernard F. Schutz), опубликованной в сентябре 1986 года в журнале Nature.

Анализ формы волны GW170817 дал оценку расстояния около 44 Мпк, предполагая, что положение на небе GW170817 точно совпадает с его оптическим аналогом. Эта оценка расстояния содержала погрешность около 15%, вызванную сочетанием инструментального шума в детекторах и того факта, что мы не знаем точно наклон орбитальной плоскости двойной системы нейтронных звезд относительно Земли. На основе этого метода вычислено современное значение постоянной Хаббла H₀ и выполнено сравнение с результатами, полученными другими методами. (https://www.ligo.org/science/Publication-GW170817Hubble/index.php). На рис.5 приведены результаты измерений.

Рис.5. : График, обобщающий наш вывод о величине постоянной Хаббла. Относительная вероятность различных значений Н₀ представлена ​​сплошной синей кривой, которая достигает максимума при 70 км  с ^-1 Мпк ^-1 . Точечные и пунктирные синие вертикальные линии соответственно показывают пределы 68,3% и 95,4% вероятных интервалов значения H₀.  Вертикальные зеленая и оранжевая полосы представляют диапазоны значений H₀ для двух современных способов измерения с использованием исключительно электромагнитных данных: зеленые полосы показывают диапазон значений, выведенных из анализа спектра реликтового излучения, полученных спутником Planck; оранжевые полосы показывают диапазон значений, выведенных из анализа SHoES, который объединяет цефеиды и данные сверхновых типа Ia из сравнительно близкой вселенной. Более темные и светлые цветные полосы показывают 68,3% и 95,4% вероятных интервалов соответственно. Обратите внимание, что результаты Planck и SHoES не согласуются друг с другом на уровне вероятности 95,4%. Результат гравитационных волн, однако, согласуется как со значениями Планка, так и SHOES.

На рис.6 приведена диаграмма, иллюстрирующая влияние наклона плоскости орбиты двойной системы к лучу зрения.

Рис.6. Контурная диаграмма, демонстрирующая корреляцию значения постоянной Хаббла (горизонтальная ось) и наклоне орбитальной плоскости двойной нейтронной звезды (вертикальная ось; правая шкала показывает угол наклона в градусах, левая - косинус угла наклона). Самая темная заливка показывает область наибольшей вероятности.   

Как видно из рисунка, указанная зависимость весьма существенна, именно она и дает основную погрешность метода на настоящее время.

Если для всех остальных методов характерна шкала расстояний, то есть, диапазон расстояний на которых метод применим, поскольку он определен тем или иным астрофизическим явлением, то метод стандартных сирен основан исключительно на ОТО, ни с какими явлениями не связан и поэтому совершенно не зависит от расстояний. Поэтому он чрезвычайно перспективен, нужно только подождать, когда он обеспечит большую точность. Кстати, этот метод измерения расстояний можно использовать и наблюдения за черными дырами. Это будет еще один независимый способ калибровки дистанций в сотни миллионов и даже миллиарды световых лет. Так что разногласия с определением значения H₀ со временем будут устранены.

Таким образом, эксперимент GW170817 можно считать отправной точкой новой астрофизической науки – гравитационной астрофизики, или даже гравитационно-волновой космологии.

Выводы.

Количество и важность научных данных, полученных в результате эксперимента GW170817, значительно превышает общее количество и важность данных всех полученных ранее гравитационно-волновых событий.

Заложены основы новой науки – гравитационно-волновой космологии.