Astronomové chytají gravitační vlny od kolizujících neutronových hvězd

Meziprostory vln z neutronové hvězdy rozbíjejí ohromující věk astronomie s více posly.

Takže ty fámy byly po všem. 17. srpna zaregistrovala gravitační vlnová observatoř pro pokročilé laserové interferometry (LIGO) malé vlnky v časoprostoru, které vytvořila dvojice zběsile obíhajících neutronových hvězd těsně před jejich srážkou. A co víc: dalekohledy na zemi i ve vesmíru detekovaly blednoucí záři radioaktivní ohnivé koule, která vyplynula z kosmického rozbití, napříč elektromagnetickým spektrem.

Koncepce tohoto umělce zobrazuje dvě neutronové hvězdy v okamžiku srážky. Nová pozorování potvrzují, že srážející se neutronové hvězdy pravděpodobně způsobí krátké záblesky gama paprsků.
Dana Berry / SkyWorks Digital, Inc.

„Detekce gravitačních vln z binární fúze neutronových hvězd je něco, na co jsme strávili celá desetiletí přípravou, “ poznamenává astrofyzik Alan Weinstein (Caltech). "Všechny naše sny se splnily." Podle jeho kolegy Barryho Barishe (také Caltecha), jednoho ze zakladatelů LIGO a spolumajitelky Nobelovy ceny za fyziku za rok 2017, nový objev „zavádí gravitační vlnu jako nové objevující se pole“. Vicky Kalogera (Northwestern University) dodává: „Nemohl jsem uvěřit svým očím. Je to mnohem více vzrušující než první detekce gravitačních vln“ srážky černých děr v září 2015.

Vzrušení je plně oprávněné. Pozorování gravitačních vln a elektromagnetického záření z katastrofické koalescence dvou hyperhustých neutronových hvězd poskytuje astronomům spoustu nových podrobných informací. Nové buzzword je multimédiová astronomie, studium vesmíru pomocí zásadně odlišných typů emisí.

Zvěsti o události neutronových hvězd se šířily od 18. srpna, kdy Craig Wheeler (University of Texas v Austinu) tweetovala: „Nový LIGO. Zdroj s optickým protějškem. Poté, 27. září, LIGO-Virgo Collaboration oznámila detekci GW170814 - gravitačního vlnového signálu sloučení černé díry - což vedlo některé k předpokladu, že dřívější fámy byly jen humbuk.

Protože však srážky černé díry nevydávají žádné světlo, neočekávali byste žádný optický protějšek. V projevu 3. října po jeho společném přijetí fyziky Nobel, Ranier Weiss (MIT) potvrdil další oznámení přichází, ale neřekl co. Dnes, na velké tiskové konferenci ve Washingtonu, DC, astronomové a fyzici konečně odhalili své tajemství.

Srážky neutronových hvězd

Umělcova ilustrace dvou slučujících neutronových hvězd. Rippling spacetime grid představuje gravitační vlny emitované při srážce, zatímco úzké paprsky jsou paprsky gama paprsků, které vystřelují právě vteřiny po gravitačních vlnách (detekované jako výbuch gama paprsků astronomy). Vířivé mraky materiálu zobrazují věci vycházející z slučujících se hvězd. Mraky zářily viditelnými a jinými vlnovými délkami světla.

NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Tady se stalo. Ve čtvrtek 17. srpna, ve 12:41:04 UT, LIGO zabalil svůj pátý potvrzený signál gravitační vlny, nyní označený GW170817. Ale tento signál trval mnohem déle než první čtyři: namísto zlomku vteřiny, stejně jako dřívější detekce, vlny zvlnění časoprostoru trvalo devadesát sekund, zvyšující se frekvence z několika desítek hertzů na přibližně jeden kilohertz - maximum frekvence, kterou LIGO dokáže sledovat.

Toto je gravitační vlnový signál očekávaný od těsně obíhajících neutronových hvězd, obě menší než dvojnásobek hmotnosti Slunce. Nakonec se kolem sebe stočili stokrát za sekundu (rychlejší než kuchyňský mixér), za spravedlivý zlomek rychlosti světla. Vlny vyzařované zrychlujícími se hmotami stále vypouštěly systém orbitální energie a brzy se srazily dvě neutronové hvězdy. Ke srážce došlo ve vzdálenosti zhruba 150 milionů světelných let od Země.

Astronomové vědí o binárních neutronových hvězdách od roku 1974, kdy Russell Hulse a Joseph Taylor objevili první z nich s odstupem několika milionů kilometrů a orbitální periodou 7, 75 hodin. Ale toto oddělení a období se mění s časem. Ve skutečnosti velmi pomalý pokles oběžné dráhy binárního systému, měřený v následujících letech, dokonale odpovídá Einsteinově predikci energetické ztráty v důsledku emise gravitačních vln. Asi 300 miliónů let od této chvíle se dvě neutronové hvězdy v binární Hulse-Taylor také srazí a sloučí.

Objev první binární neutronové hvězdy, která vydělala Hulse a Taylor v roce 1993 Nobelovu cenu za fyziku, poskytla obrovskou podporu důvěry fyzikům, jako je Weiss a Kip Thorne (Caltech), kteří navrhovali první prototypy laseru typu LIGO interferometry a kteří sdíleli Nobelovu cenu 2017 s Barishem. Pokud by se jedna binární neutronová hvězda sloučila za 300 miliónů let, ostatní by to mohli udělat zítra. Energický výbuch gravitačních vln způsobený kolizí by měl být detekovatelný pomocí extrémně citlivých nástrojů zde na Zemi. Když mluvíme o GW170817, Ralph Wijers (Amsterdamská univerzita, Nizozemsko) říká: „Čekali jsme na to 40 let.“

Gama-ray burst

Pouhé dvě sekundy po události gravitačních vln ve 12:41:06 UT detekoval kosmický dalekohled Fermi Gamma-NASA NASA krátký výbuch gama paprsků - krátký, silný „záblesk“ nejenergičtějšího elektromagnetického záření v přírodě. Integrální observatoř pro gama záření Evropské kosmické agentury tento výbuch potvrdila.

Předpokládá se, že krátké záblesky gama záření vznikají srážkou neutronových hvězd. Fúze by vystřelila dva úzké energetické paprsky částic a záření do vesmíru (pravděpodobně kolmo k oběžné rovině neutronových hvězd). Pokud by jedna z trysek byla zaměřena na Zemi, viděli bychom gama paprskový výboj trvající kdekoli mezi zlomkem sekundy nebo dvěma sekundami. Přirozená otázka byla, mohla by GRB170817A souviset s událostí LIGO, která byla pozorována těsně předtím?

Astronomové měli pochybnosti. Záblesky gama paprsků se obvykle vyskytují ve vzdálenosti miliard světelných let. GRB170817A vypadal Fermiho tak jasně jako ostatní GRB, takže pokud k tomuto prasknutí došlo jen na vzdálenost 150 milionů světelných let, muselo to být neobvykle wimpy. Navíc by byla záhadná náhoda, že by nejbližší výbuch gama paprsků, který kdy měl paprsek, směřoval k Zemi.

Panna na záchranu

Nalezení optického protějšku k gravitačním „Einsteinovým vlnám“ nebo ke krátkému gama záblesku by problém vyřešilo. Astronomové bohužel nemohli přesně určit zdroj signálů na obloze. Fermiho „chybové pole“ měří průměr několik desítek stupňů (úplněk je jen půl stupně široký) a družice Swift od NASA, která někdy dokáže zachytit událost Fermi pomocí přesnějšího rentgenového dalekohledu, neviděla jakákoli rentgenová emise ihned po GRB.

Pokud jde o signál gravitační vlny, situace vypadala ještě horší. Událost byla pozorována jak detektorem LIGO v Hanfordu ve Washingtonu, tak jeho dvojčatem v Livingstonu v Louisianě (ačkoliv to trvalo nějakou dobu, než byl signál Livingston získán z datového proudu kvůli technické závadě). Od nepatrného rozdílu v době příjezdu (jen několik milisekund) bylo možné sledovat původ gravitačních vln až po dlouhý, tenký pruh oblohy ve tvaru banánů. Ale i když byl banán v tomto konkrétním případě velmi tenký (díky dlouhé době trvání akce), byl také velmi dlouhý.

Tenký banán LIGO přešel přes Fermiho chybové pole v souhvězdích Panna a Hydra. Bohužel, překrývající se oblast byla stále příliš velká na to, aby zahájila zaměřené hledání možného optického protějšku události, což by pravděpodobně bylo velmi slabé.

Kombinace pozorování LIGO, Panny, Fermi a Integralu umožnila astronomům vejít na zdroj gravitačních vln detekovaných 17. srpna 2017, až po oblohu asi 30 čtverečních stupňů v oblasti.
LIGO / Panna

Ale počkejte minutu - co třetí detektor gravitační vlny v Itálii? Panna byla v provozu v tandemu s LIGO od 1. srpna. Rozdíly v době příjezdu tří detektorů umožňují mnohem přesněji určit polohu zdroje. Ve skutečnosti to bylo přesně to, co se stalo tři dny předtím, s fúzí černé díry GW170814. Nebylo by tedy odpověď Panny z GW170817 odpovědí?

Téměř dva měsíce po událostech je Vicky Kalogera stále na adrenalinu, když vysvětluje roli detektoru evropské panny při řešení případu. "V srpnu, " říká, "jsem byla na dovolené s rodinou v Coloradu a Idaho, kde bychom pozorovali úplné zatmění Slunce 21. srpna." Slíbil jsem, že nebudu pracovat pořád. Pak přišel GW170814 ao tři dny později neutronová hvězdná událost. Od té doby jsem v notebooku a v telekomunikacích. “

Překvapivě, líčí, Panna na GW170817 „nespustila“. 90-vteřinový Einsteinův vlnový signál spojujících se neutronových hvězd se téměř nezobrazuje v datovém toku Panny, přestože by evropský nástroj neměl mít problém jej detekovat. „Skvělá věc, “ říká Kalogera, „je to, že„ detekce Panny “se ukázala jako klíč k lokalizaci zdroje.“

Laserové interferometry jako LIGO a Panna dokážou detekovat gravitační vlny téměř ze všech směrů. Ale kvůli jejich designu, tam jsou čtyři oblasti oblohy na místním horizontu nástroje pro kterého citlivost detekce je hodně nižší než průměr. V samém středu těchto regionů jsou slepá místa. Panna nezaznamenala silnou, procházející gravitační vlnu, protože zdroj vln byl umístěn poblíž jednoho z Panenských slepých míst.

Hle, aj, toto místo se časově shodovalo s překrývající se oblastí mezi tenkým „banánem“ LIGO a Fermiho chybovou schránkou. Vzhledem k horním limitům signálu Panny byli astronomové schopni plout mnohem menší protáhlou část oblohy s plochou pouhých 28 čtverečních stupňů.

Hledání protipoložek

Červený kruh na tomto grafu ukazuje umístění galaxie NGC 4993 blízko hranice rozlehlé souhvězdí Hydry, mořského hada.
ESO / IAU / Sky & Telescope

Teď lov začal. Během posledních let podepsala LIGO-Virgo Collaboration formální dohodu s přibližně 70 týmy astronomů z celého světa o sdílení těchto informací za přísného embarga. To by týmům umožnilo hledat elektromagnetické protějšky jakýchkoli signálů gravitačních vln s dalekohledy na zemi a ve vesmíru, nejlépe ihned po detekci. S nejnovějšími souřadnicemi prohledávací oblasti GW170817 v ruce všichni trénovali své nástroje na místě podezřelého zločinu v jižní Panně a východní Hydře.

1metrový dalekohled Henrietta Swope na observatoře Las Campanas v severním Chile byl první, kdo udeřil zlato. Jejich úspěch závisel na chytré strategii. Data LIGO jim poskytla informace o vzdálenosti zdroje a v oblasti hledání bylo v této vzdálenosti jen několik desítek galaxií. Astronomové pomocí průzkumu Swope Supernova Surveyova rychle jeden po druhém rychle kontrolovali galaxie, aby zjistili, zda mohou najít optický přechod.

Kolem 23:00 UT našli překvapivě jasný světelný bod (17. velikost) na severovýchodním okraji lentikulární (S0) galaxie NGC 4993, poblíž binární hvězdy Gamma Hydrae. Zdroj byl dost jasný pro amatérské astronomy, aby si vybrali velké (16-palcové) dalekohledy. „Červený posun galaxie ho umístil na vzdálenost 130 milionů světelných let. Bezpochyby zde byl optický protějšek neutronové hvězdné kolize, která produkovala gravitační vlnový signál, a krátký záblesk gama paprsků v oblasti překrývání banánů LIGO, Fermiho chyba box a slepé místo Panny.

V následujících dnech a týdnech tu dobu pozorovaly desítky pozemních dalekohledů a kosmických observatoří, včetně Hubbleovho vesmírného dalekohledu, Gemini Jih, Keck, velmi velkého dalekohledu Evropské jižní observatoře, ALMA, Chandra X- ray Observatory (zachytila ​​rentgenové paprsky asi 9 dní po události) a Very Large Array (16 dní po havárii).

"Myslel bych si, že se jedná o nejintenzivněji pozorovanou astronomickou událost v historii, " říká Kalogera. Příspěvek popisující následná pozorování (neoficiálně známá jako „multimediální zpráva“) je spoluautorem téměř 4 000 astronomů z více než 900 institucí. „To představuje asi jednu třetinu celosvětové astronomické komunity, “ říká. A je to pouze jeden z mnoha článků o GW170817, který bude spuštěn online dnes (16. října), v časopisech, včetně fyzických recenzních dopisů, Astrofyzikálního časopisu, vědy a přírody .

Stávkující zlato

Tato barevně označená periodická tabulka seskupuje prvky podle toho, jak byly vytvořeny ve vesmíru. Vodík a helium vznikly ve Velkém třesku. Těžší prvky až do železa jsou obvykle kovány v jádrech hmotných hvězd. Elektromagnetické záření zachycené z GW170817 nyní potvrzuje, že prvky těžší než železo jsou syntetizovány ve velkém množství následkem srážek neutronových hvězd.
Jennifer Johnson / SDSS / CC BY 2.0 (upraveno)

Následky vyblednutí kolize neutronových hvězd byly nyní pozorovány na všech možných vlnových délkách, od rentgenových a ultrafialových paprsků přes optické a infračervené paprsky až po milimetry a rádiové vlny. Fenomén následků je známý jako kilonova - výbušná událost méně světelná než supernova, ale asi tisíckrát jasnější než normální nova. Teprve jednou, v červnu 2013, našli astronomové kilonetu ve spojení s krátkým zábleskem gama paprsků, ale ten byl extrémně slabý a objevil se ve vzdálenosti asi 4 miliard světelných let.

K kilonova je v podstatě prskající ohnivá koule z neutronové hvězdy. Kusy horké a husté jaderné hmoty se vrhají do vesmíru ve všech možných směrech, přičemž rychlosti snadno dosahují rychlosti 20% nebo 30% rychlosti světla. Osvobozen od extrémní gravitace neutronových hvězd, trosky se rozšiřují a rychle ztrácí svou extrémně vysokou hustotu. Neutrony se nyní začínají rozkládat na protony a ve výsledném termonukleárním kotli se tyto dva typy částic kombinují do těžkých atomových jader, z nichž mnohé jsou vysoce radioaktivní. Zůstává neuvěřitelně horká rozšiřující se skořápka plná některých nejtěžších prvků v periodické tabulce.

Spektroskopická pozorování pomocí nástroje X-Shooter na Velkém dalekohledu a dalších nástrojích skutečně odhalila existenci tzv. Prvků vzácných zemin a dalších těžkých kovů, jako je platina, olovo a zlato. Zdá se, že tato zjištění potvrzují teorii, že většina prvků hmotnějších než železo je produkována spíše rozpadem jaderné hmoty v důsledku srážek neutronových hvězd, než při výbuchu supernovy.

Zjevně, objevem protějšku GW170817, zřejmě vědci také doslova udeřili zlato. Edo Berger (Harvard-Smithsonianovo centrum pro astrofyziku) kdysi spočítal, že fúze neutronových hvězdných hvězd může vést k čistému zlatu necelých desetinásobku hmotnosti Měsíce. Gijs Nelemans (Radboud University, Nizozemsko) si myslí, že to může být mnohem vyšší až do několika hmotností Země.

Podle Edwarda van den Heuvel (University of Amsterdam), odborníka na důchod v oblasti vývoje kompaktních binárních hvězd, bylo dosud v Mléčné dráze objeveno 16 binárních neutronových hvězd. "Z tohoto počtu odhaduji, že ke srážce neutronových hvězd dochází v naší galaxii Mléčná dráha přibližně každých 50 000 let, " říká. „V průběhu Mléčné dráhy to představuje několik set tisíc těchto zlatonosných událostí v jedné galaxii. To je hodně zlata. “

Zbývající záhady

Hmotnosti zbytků hvězd se měří mnoha různými způsoby. Tento graf ukazuje hmotnosti černých děr detekovaných elektromagnetickým pozorováním (fialová); černé díry měřené gravitační vlnou (modrá); neutronové hvězdy měřené elektromagnetickými pozorováními (žlutá); a hmotnosti neutronových hvězd, které se spojily v události zvané GW170817, které byly detekovány v gravitačních vlnách (oranžová). Zbytek GW170817 je nezařazený a označen jako otazník.
LIGO / Virgo, Frank Elavsky / Northwestern

Zůstává však několik záhad. Jednou z nich je povaha gama signálu pozorovaného Fermi. Pokud byl GRB170817A pravidelný výbuch gama paprsků, jedna z jeho proudů musela být zaměřena na naši domovskou planetu. Ale v tom případě by astronomové očekávali, že detekují jas gama paprsků nejméně 10 000krát silnější než to, co udělali, vzhledem k malé vzdálenosti 130 milionů světelných let.

Trysky však měly také produkovat rychlou rentgenovou emisi, která nebyla detekována. I kdybychom náhodou pozorovali paprsek v úhlu, řekněme 20 stupňů (což by mohlo vysvětlit nízkou gama svítivost), bylo by také očekáváno rentgenové záření.

Kalogera, Eleonora Troja (NASA Goddard a University of Maryland), kteří vedli sledování rentgenem, a jiní si stále myslí, že mimoosý paprsek je nejpravděpodobnějším vysvětlením slabosti výbuchu gama paprsků. Troja také říká, že zpoždění v rentgenových paprskech by bylo přirozené, když se podíváme na paprsek z úhlu.

Mansi Kasliwal (Caltech) navrhuje jiný scénář, ve kterém se trysky zasekávají v hustém zámotku materiálu, který byl vypuštěn srážkou neutronových hvězd. Ve svém modelu, když je zámotek méně hustý, může krátce emitovat isotropní gama paprsky sám, na mnohem slabší úrovni. Wijers předložil podobný scénář k vysvětlení podivného chování výbuchu GRB980425, který byl také relativně blízký a překvapivě slabý, a shodoval se s výbuchem podobným supernovům známým jako SN 1998bw. Wijers také poznamenává, že model úhledně odpovídá za přechod optického protějšku GRB170817 z modré na červené vlnové délky do 48 hodin.

Podrobná analýza pozorování kilonova může problém nakonec vyřešit. A budoucí pozorování místa kosmické katastrofy může také vrhnout světlo na další dosud nevyřešené tajemství: jaký byl osud dvou neutronových hvězd? Jistě, malá část jejich kombinované hmoty byla vypuštěna do vesmíru, ale co se stalo se zbytkem? Splynuly se dvě města velké hvězdy s hyperhmotou neutronovou hvězdou několika solárních hmot, nebo se zhroutily do černé díry hvězdné hmoty? Astronomové detekovali pouze několik neutronových hvězd, které váží více než 2 sluneční hmoty - horní limit, který by mohl mít důsledky pro fyziku těchto hvězd. Hmota zbytku sloučení může být potenciálně velmi informativní.

Data LIGO nemohou poskytnout odpověď; závěrečné fáze události sloučení nebyly dodrženy. Při dřívějších kolizích černých děr mohl LIGO detekovat náznaky „fáze srážky“ kolize, krátkou dobu, během které se amplituda Einsteinových vln rychle zmenšovala na nulu. Na základě charakteristik tohoto zúžení dokázali astronomové odhadnout konečnou hmotnost sloučené černé díry.

Ale v případě GW170817 byla vlnová frekvence příliš vysoká na to, aby ji LIGO pozoroval dříve, než se dvě neutronové hvězdy skutečně střetnou, a ztratil signál, říká Kalogera. Astronomové tedy nemají žádná observační data, která by omezovala vlastnosti sloučených objektů. Navíc odhady počátečních hmot neutronových hvězd nejsou dostatečně přesné, aby poskytovaly velkou pomoc.

Nelemans je dostatečně sebevědomý, aby tvrdil, že srážka musela vést k nové černé díře. "Pokud by teď byla neutronová hvězda, byla by to extrémně horká a my bychom ji detekovali v rentgenovém záření, " říká.

Ale Kalogera si není tak jistý. "Opravdu nemáme tušení, " říká. „Rentgenový signál z horkého povrchu může být ejectou dočasně absorbován. Nevylučil bych možnost hypermasivní neutronové hvězdy. Kdo ví, během několika týdnů nebo měsíců, můžeme mít to štěstí, že můžeme detekovat záření z jeho povrchu, nebo možná dokonce i pulsy [rentgenových nebo rádiových vln], díky extrémně rychlé rotaci objektu. “

Vytváření historie

Stručně řečeno, pozorování, která jsou dnes představena, velkolepá, jak již jsou, se mohou ukázat jako příslovečný tip ledovce budoucích zjevení o prasknutí gama paprsků, vývoji binárních hvězd, syntéze těžkých prvků, obecné relativitě, chování hmoty v extrémních prostředích a vlastnosti neutronových hvězd. Fyzici se zvláště zajímají o materiální vlastnosti těchto hyperhustých hvězdných zbytků, které snadno zabalí sto tisíc tun hmoty do objemu jednoho milimetru krychlového. Nemůžeme snad doufat, že v laboratoři na Zemi obnovíme takové extrémní podmínky.

Podrobnější studie signálů gravitačních vln, jako je GW170817, by v zásadě měla poskytnout více informací. Jak se dvě neutronové hvězdy přibližují a přibližují, budou je protahovány a stlačovány vzájemnými přílivovými silami. Velikost výsledných deformací říká fyzikům něco o vnitřní struktuře hvězdy, o tom, jak se její hustota mění s hloubkou, její tuhostí materiálu, atd. Tato tzv. Stavová rovnice ještě nebyla stanovena na základě současných pozorování GW170817. Se vší pravděpodobností bude trvat mnohem více podobných událostí, než bude možné vyvodit správné statistické závěry.

Přesto vysvětluje Kalogera, skutečnost, že koalescence neutronových hvězd vytvořila masivní, relativisticky se rozšiřující ohnivou kouli (kilonova), staví na státní rovnici určitá omezení. "Z různých důvodů jsou nová pozorování snadněji vysvětlena, pokud jsou neutronové hvězdy na malé straně postulovaného rozsahu velikostí, " říká - pravděpodobně více než 20 kilometrů přes 30. Menší velikosti by mohly znamenat extrémní formy hmoty hluboké v jádrech neutronových hvězd (podrobnosti viz titulní příběh společnosti S&T z července 2017).

Takže ano, nositel Nobelovy ceny Barry Barish má naprostou pravdu: nový objev zavádí vědu gravitační vlny jako nové rozvíjející se pole. A objevuje se také rychle. Van den Heuvel se nemůže dočkat, až uvidí další velkolepý průlom. "Tato měření jsou neuvěřitelně těžká, " říká. "Měření prostorových vln, které jsou mnohem menší než atomové jádro, je téměř nemožné si představit." Ale za 20 let může být měření gravitačních vln stejně rutinní, jako se rentgenová pozorování za posledních 40 let stala. Je to opravdu za mými nejdivočejšími sny. “


Přečtěte si příběh o zákulisí první detekce gravitačních vln ze sloučení černých děr v našem čísle září 2017.