LIGO наконец-то разгадала тайну пропавшего во Вселенной золота, «наблюдая», как звезды сталкиваются друг с другом

Для LIGO и Virgo это были напряженные несколько недель. Две интерферометрические обсерватории не только объявили о четвертом обнаружении гравитационных волн, трое их ученых получили за свои усилия Нобелевскую премию по физике.

Теперь на пресс-конференции в Вашингтоне команды LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и Virgo вместе с исследователями из 70 организаций объявили о своем последнем «беспрецедентном открытии» в виде нового источника гравитационных волн и астрономического объекта. под названием «килонова» — космический взрыв двух сталкивающихся нейтронных звезд.

Килоновая была обнаружена с помощью всплеска гравитационных волн, обнаруженного 17 августа 2017 года. После обнаружения обсерваториями LIGO и Virgo в Калифорнии и Италии астрономы начали наводить телескопы на возможный источник и обнаружили объект в соседней галактике под названием NGC4993, 130. миллионы световых лет от Земли.

Это первый случай, когда гравитационные волны были обнаружены после столкновения нейтронных звезд, и это дает беспрецедентное понимание нашего понимания теории Большого взрыва, Вселенной и даже гравитации.

«Нет ничего более захватывающего для астронома», — сказал Боб Никол, директор Института космологии и гравитации (ICG) Портсмутского университета и член Исследования темной энергии (DES). «На закате команда DES была готова сканировать положение гравитационных волн в поисках нового источника».

Исследование темной энергии (DES) — это международная попытка составить карту сотен миллионов галактик, обнаружить сверхновые и найти загадочную темную энергию, которая, как утверждается, является движущей силой расширения нашей Вселенной.

(Источник: «Слияние нейтронных звезд и порождаемые им гравитационные волны»Центр космических полетов имени Годдарда НАСА)

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация должна приводить к замедлению космического расширения. Однако в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение Вселенной вместо этого ускоряется. Есть два возможных объяснения: либо 70% Вселенной существует в «экзотической форме», называемой темной энергией, которую можно увидеть по тому, как ее гравитационная сила воздействует на видимые объекты, либо Общая теория относительности неверна и ее необходимо заменить новая теория гравитации.

Нейтронные звезды и килоновая звезда

Слухи о том, что гравитационные волны обнаружены новым источником, а именно нейтронными звездами, начали циркулировать накануне объявления, сделанного в прошлом месяце.

Нейтронные звезды образуются, когда ядра звезд-гигантов (массой 10–29 солнечных) коллапсируют, а протоны и электроны этой массы сливаются, образуя нейтроны. В отличие от гравитационных волн, возникающих в результате столкновений черных дыр, слияние нейтронных звезд производит видимый свет, что, в свою очередь, дает ученым беспрецедентные наблюдательные возможности.

ЧИТАЙТЕ ДАЛЬШЕ: Шесть причин, почему вас должны волновать гравитационные волны

Килоновую уже много лет предполагают как слияние нейтронных звезд, но такое событие наблюдается впервые.

Сразу после обнаружения астрономы изучили событие килоновой во всем электромагнитном спектре, от гамма-лучей до радиоволн. Источник гравитационных волн получил название GW170817, а оптический источник — Swope Supernova Survey 2017a (SSS17a). В течение недели источник потускнел и его больше нельзя было увидеть в видимом свете, но пока он был виден, астрономы смогли собрать сокровищницу данных об этом явлении. Исследователь ICG Крис Фромайер входил в группу под руководством Калифорнийского технологического института и Беркли, которая хотела знать скорость и кривые блеска этой килоновой, в частности, сколько мы ожидаем в локальной вселенной и как взрыв менялся с течением времени.

Их работа, опубликованная сегодня в журнале Наука, привели к неожиданному решению давней проблемы; kilonovae может быть источником половины тяжелых элементов во Вселенной. Всего опубликовано семь статей, посвященных этим выводам.

В поисках недостающих элементов Вселенной

Считается, что насильственное слияние двух нейтронных звезд включает в себя три основных процесса передачи энергии, показанных на этой диаграмме.

Хорошо известно, что химические элементы вплоть до железа в таблице Менделеева образуются либо при Большом взрыве, либо в ядрах звезд, либо при взрывах сверхновых. Однако происхождение половины элементов тяжелее железа, в том числе золота, платины и урана, осталось загадкой.

«Кто-то из команды заметил, что если умножить ожидаемую частоту возникновения килоновых событий на выход тяжелых элементов, таких как уран, золото и платина, за взрыв, то вы получите довольно большое число, которого в принципе достаточно, чтобы объяснить половину распространенности таких элементов. во Вселенной», — объяснил Фромайер.

Команда из Калифорнийского университета в Санта-Крус нашла SSS17a, сравнив новое изображение галактики N4993 (справа) с изображениями, полученными четырьмя месяцами ранее космическим телескопом Хаббл (слева). Стрелки указывают, где SSS17a отсутствовал на изображении Хаббла и был виден на новом изображении телескопа Своп.

«Это один из тех моментов эврики», – добавил Фромайер. «Это фантастика, когда такие разные области астрономии собираются вместе. Я начал изучать скорость килоновой звезды, и мы нашли половину золота во Вселенной!»

Открытие килоновой звезды и тот факт, что гравитационные волны могут привести астрономов к таким событиям, открывают новое окно во Вселенную. Совместная наблюдательная мощь LIGO+Virgo и других телескопов позволит астрономам открывать новые странные явления и разгадывать оставшиеся загадки Вселенной.

«Пресс-конференция началась с обзора последних результатов LIGO, Virgo и партнеров, охватывающих весь земной шар, за которым последовали подробности телескопов, которые работают с коллаборациями LIGO и Virgo для изучения экстремальных явлений в космосе. Среди выступавших на панели были исполнительный директор LIGO Дэвид Рейтце, ученый проекта Ферми в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА Джули МакЭнери и представитель коллаборации Virgo Джо ван ден Бранд.

Что такое гравитационные волны?

Гравитационные волны возникают в бесконечно малых масштабах всякий раз, когда происходят гравитационные взаимодействия, но их легче всего обнаружить, когда во Вселенной происходят взрывные столкновения. До сих пор это преимущественно наблюдалось при столкновении черных дыр. Волны, по сути, представляют собой крупномасштабную рябь в пространстве-времени, и они дают нам совершенно иной способ восприятия Вселенной.

Впервые они были предсказаны Альбертом Эйнштейном в 1905 году и составляют часть его теории специальной относительности и общей теории относительности, опубликованной годом позже. Эта теория использовалась для объяснения поведения объектов в пространстве и времени, а также для предсказания существования черные дырыгравитационное линзирование и даже орбита Меркурия.

Когда дело доходит до гравитационных волн, теории Эйнштейна утверждают, что «самые мощные процессы» во Вселенной могут создавать рябь в кривизне пространства-времени, которая распространяется наружу от источника, который их создал, и эта рябь распространяется по Вселенной со скоростью света.

Когда были впервые обнаружены гравитационные волны?

Гравитационные волны были впервые обнаружены в данных, проанализированных LIGO, в сентябре 2015 года; эта космическая рябь возникла, когда 1,3 миллиарда лет назад столкнулись две черные дыры. Затем исследователям, работающим с LIGO, потребовалось шесть месяцев, чтобы подтвердить, что они обнаружили эти гравитационные волны, и новаторское объявление было сделано в феврале 2016 года. Второй набор волн был подтвержден в июне того же года.

Первоначальные волны были результатом столкновения двух черных дыр, в 36 и 29 раз превышающих массу нашего Солнца, и образовали вращающуюся черную дыру, в 21 раз превышающую массу нашего Солнца. Второй набор волн образовался при столкновении двух черных дыр, на этот раз в восемь и в 14 раз превышающих массу нашего Солнца.

После этих первоначальных результатов ученые обнаружили еще два гравитационно-волновых события, оба из которых были аналогичным образом вызваны столкновениями черных дыр.

Что такое ЛИГО?

В обнаружении 2015 года и последующих документах 2016 года приняли участие более 90 учреждений в 15 странах, включая Массачусетский технологический институт и Калифорнийский технологический институт, которые работали с данными LIGO, а его интерферометры разбросаны по двум объектам в США, в Вашингтоне и Луизиане.

LIGO — это, по сути, крупномасштабный физический эксперимент, в котором астрофизики собираются для мониторинга и наблюдения гравитационных волн. Он финансируется Национальным научным фондом (NSF) и считается самым крупным и амбициозным проектом, финансируемым этим органом.

Проект Advanced LIGO, начавшийся вскоре после первых обнаружений в октябре 2015 года, включает в себя интерферометр с двумя «руками» длиной 4,5 мили. Лазерные лучи проходят через эти рычаги и попадают в зеркала на каждом конце. Изменения в том, как эти лучи движутся по этим рукавам, создают закономерности, намекающие на присутствие гравитационных волн, в то время как изменения в этих закономерностях могут указывать на различные типы источников гравитационных волн.

ЧИТАЙТЕ ДАЛЬШЕ: Лазер изменил все. Это его история

В ходе недавнего, четвертого обнаружения (о котором было объявлено в прошлом месяце), сигнал был обнаружен двумя усовершенствованными датчиками LIGO в США и, впервые, детектором Virgo недалеко от Пизы, Италия.

Virgo не так чувствителен, как LIGO, но комбинация всех трех увеличила точность в 10 раз. Virgo была завершена в 2003 году. Она оснащена интерферометром стоимостью 300 миллионов евро с плечами длиной 2 мили и финансировалась Национальным фондом Франции. Центр научных исследований (CNRS) и Итальянский национальный институт ядерной физики (INFN).

Исследователи проектов LIGO и Virgo присоединились к соглашению об обмене данными в 2007 году, а затем в августе Virgo присоединилась к LIGO в поисках гравитационных волн.

Почему меня это должно волновать?

После первого обнаружения в прошлом году мы составили список из шести причин, по которым вас должны волновать гравитационные волны. И вам действительно следует это сделать. Но астрофизик Кэти Мак резюмирует значение этого последнего открытия гораздо более кратко, чем мы можем:

Изображения: Мургия-Бертье и др., Наука/Хаббл/Калифорнийский университет в Санта-Крус и обсерватории Карнеги/Райан Фоли