Ученые впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния нейтронных звезд

© EPA-EFE/ESO/L.Calcada/M.Kornmesser© EPA-EFE/ESO/L.Calcada/M.Kornmesser

Явление наблюдали не только на лазерных интерферометрах, но и с помощью космических обсерваторий и наземных телескопов, регистрирующих электромагнитное излучение

МОСКВА, 16 октяб­ря. /ТАСС/
Детек­то­ры LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, США) и Virgo (ана­ло­гич­ная обсер­ва­то­рия в Ита­лии) впер­вые заре­ги­стри­ро­ва­ли гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны от сли­я­ния двух ней­трон­ных звезд. Об этом откры­тии объ­яв­ле­но в поне­дель­ник во вре­мя меж­ду­на­род­ной пресс-кон­фе­рен­ции, про­шед­шей одно­вре­мен­но в Москве, Вашинг­то­не и ряде горо­дов в дру­гих стра­нах.

«Уче­ные впер­вые зафик­си­ро­ва­ли гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны от сли­я­ния двух ней­трон­ных звезд, при­чем это явле­ние наблю­да­ли не толь­ко на лазер­ных интер­фе­ро­мет­рах, реги­стри­ру­ю­щих гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны, но и с помо­щью кос­ми­че­ских обсер­ва­то­рий (INTEGRAL, Fermi) и назем­ных теле­ско­пов, реги­стри­ру­ю­щих элек­тро­маг­нит­ное излу­че­ние. В сум­ме это явле­ние наблю­да­ли око­ло 70 назем­ных и кос­ми­че­ских обсер­ва­то­рий по все­му миру, в числе кото­рых сеть робо­тов-теле­ско­пов МАСТЕР (МГУ им. М.В. Ломо­но­со­ва)», – гово­рит­ся в сооб­ще­нии пресс-служ­бы МГУ.

Когда и как зарегистрировали

Откры­тие, о кото­ром уче­ные сооб­щи­ли в поне­дель­ник, было сде­ла­но еще 17 авгу­ста. Тогда оба детек­то­ра LIGO заре­ги­стри­ро­ва­ли гра­ви­та­ци­он­ный сиг­нал, полу­чив­ший назва­ние GW170817. Инфор­ма­ция, предо­став­лен­ная тре­тьим детек­то­ром Virgo, поз­во­ли­ла зна­чи­тель­но улуч­шить лока­ли­за­цию кос­ми­че­ско­го собы­тия.

Сиг­на­лы детек­то­ров LIGO пока­за­ли, что заре­ги­стри­ро­ван­ные гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны излу­ча­лись дву­мя аст­ро­фи­зи­че­ски­ми объ­ек­та­ми, вра­ща­ю­щи­ми­ся друг отно­си­тель­но дру­га и рас­по­ло­жен­ны­ми на отно­си­тель­но близ­ком рас­сто­я­нии – око­ло 130 млн све­то­вых лет – от Зем­ли. Ока­за­лось, что объ­ек­ты были менее мас­сив­ны­ми, чем ранее обна­ру­жен­ные LIGO и Virgo двой­ные чер­ные дыры. Соглас­но вычис­ле­ни­ям, их мас­сы нахо­ди­лись в диа­па­зо­не от 1,1 до 1,6 мас­сы Солн­ца, что попа­да­ет в область масс ней­трон­ных звезд, самых малень­ких и самых плот­ных сре­ди звезд. Их типич­ный ради­ус состав­ля­ет все­го 10–20 км.

Если сиг­нал от сли­ва­ю­щих­ся двой­ных чер­ных дыр обыч­но нахо­дил­ся в диа­па­зо­не чув­стви­тель­но­сти детек­то­ров LIGO в тече­ние долей секун­ды, то сиг­нал, заре­ги­стри­ро­ван­ный 17 авгу­ста, длил­ся око­ло 100 секунд. Спу­стя при­мер­но две секун­ды после сли­я­ния звезд про­изо­шла вспыш­ка гам­ма-излу­че­ния, кото­рая была заре­ги­стри­ро­ва­на кос­ми­че­ски­ми гам­ма-теле­ско­па­ми.

Быст­рое обна­ру­же­ние гра­ви­та­ци­он­ных волн коман­дой LIGO-Virgo в соче­та­нии с обна­ру­же­ни­ем гам­ма-излу­че­ния поз­во­ли­ло запу­стить наблю­де­ние опти­че­ски­ми и радио­те­ле­ско­па­ми по все­му миру.

Полу­чив коор­ди­на­ты, несколь­ко обсер­ва­то­рий уже через несколь­ко часов смо­гли начать поиск в обла­сти неба, где пред­по­ло­жи­тель­но про­изо­шло собы­тие. Новая свет­лая точ­ка, напо­ми­на­ю­щая новую звез­ду, была обна­ру­же­на опти­че­ски­ми теле­ско­па­ми, и в ито­ге око­ло 70 обсер­ва­то­рий на зем­ле и в кос­мо­се наблю­да­ли это собы­тие в раз­лич­ных диа­па­зо­нах длин волн.

В после­ду­ю­щие дни после столк­но­ве­ния было заре­ги­стри­ро­ва­но элек­тро­маг­нит­ное излу­че­ние в рент­ге­нов­ском, уль­тра­фи­о­ле­то­вом, опти­че­ском, инфра­крас­ном и радио­вол­но­вом диа­па­зо­нах.

Тео­ре­ти­ки пред­ска­зы­ва­ют, что при столк­но­ве­нии ней­трон­ных звезд долж­ны излу­чать­ся гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны и гам­ма-лучи, а так­же извер­гать­ся мощ­ные струи веще­ства, сопро­вож­да­ю­щи­е­ся излу­че­ни­ем элек­тро­маг­нит­ных волн в широ­ком частот­ном диа­па­зо­не.

Обна­ру­жен­ный гам­ма-всплеск явля­ет­ся так назы­ва­е­мым корот­ким гам­ма-всплес­ком. Ранее уче­ные лишь пред­ска­зы­ва­ли, что корот­кие гам­ма-всплес­ки гене­ри­ру­ют­ся при сли­я­нии ней­трон­ных звезд, а тепе­рь это под­твер­жде­но наблю­де­ни­я­ми. Но, несмот­ря на то, что источ­ник обна­ру­жен­но­го корот­ко­го гам­ма-всплес­ка был одним из самых близ­ких к Зем­ле, види­мых до сих пор, сам всплеск был неожи­дан­но слаб для тако­го рас­сто­я­ния. Тепе­рь уче­ным пред­сто­ит най­ти объ­яс­не­ние это­му фак­ту.

Со скоростью света

В момент столк­но­ве­ния основ­ная часть двух ней­трон­ных звезд сли­лась в один уль­трап­лот­ный объ­ект, испус­ка­ю­щий гам­ма-лучи. Пер­вые изме­ре­ния гам­ма-излу­че­ния в соче­та­нии с детек­ти­ро­ва­ни­ем гра­ви­та­ци­он­ных волн под­твер­жда­ют пред­ска­за­ние общей тео­рии отно­си­тель­но­сти Эйн­штей­на, а имен­но, что гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны рас­про­стра­ня­ют­ся со ско­ро­стью све­та.

 YouTube/Georgia Tech

«Во всех преды­ду­щих слу­ча­ях источ­ни­ком гра­ви­та­ци­он­ных волн были сли­ва­ю­щи­е­ся чер­ные дыры. Как это ни пара­док­саль­но, чер­ные дыры – это очень про­стые объ­ек­ты, состо­я­щие исклю­чи­тель­но из искрив­лен­но­го про­стран­ства и поэто­му пол­но­стью опи­сы­ва­ю­щи­е­ся хоро­шо извест­ны­ми зако­на­ми общей тео­рии отно­си­тель­но­сти. В то же вре­мя, струк­ту­ра ней­трон­ных звезд и, в част­но­сти, урав­не­ние состо­я­ния ней­трон­ной мате­рии до сих пор точ­но неиз­вест­ны. Поэто­му изу­че­ние сиг­на­лов от сли­ва­ю­щих­ся ней­трон­ных звезд поз­во­лит полу­чить огром­ное коли­че­ство новой инфор­ма­ции так­же и о свой­ствах сверх­плот­ной мате­рии в экс­тре­маль­ных усло­ви­ях», – ска­зал про­фес­сор физи­че­ско­го факуль­те­та МГУ Фарит Хали­ли, кото­рый так же вхо­дит в груп­пу Мит­ро­фа­но­ва.

Фабрика тяжелых элементов

Тео­ре­ти­ки пред­ска­за­ли, что в резуль­та­те сли­я­ния обра­зу­ет­ся «кило­но­вая». Это явле­ние, при кото­ром оста­ю­щий­ся от столк­но­ве­ния ней­трон­ных звезд мате­ри­ал ярко све­тит­ся и выбра­сы­ва­ет­ся из обла­сти столк­но­ве­ния дале­ко в кос­мос. При этом воз­ни­ка­ют про­цес­сы, в резуль­та­те кото­рых созда­ют­ся тяже­лые эле­мен­ты, такие как сви­нец и золо­то. Наблю­де­ние после све­че­ния сли­я­ния ней­трон­ных звезд поз­во­ля­ют полу­чать допол­ни­тель­ную инфор­ма­цию о раз­лич­ных ста­ди­ях это­го сли­я­ния, о вза­и­мо­дей­ствии обра­зо­вав­ше­го­ся объ­ек­та с окру­жа­ю­щей сре­дой и о про­цес­сах, кото­рые про­из­во­дят самые тяже­лые эле­мен­ты во Все­лен­ной.

«В про­цес­се сли­я­ния зафик­си­ро­ва­но обра­зо­ва­ние тяже­лых эле­мен­тов. Поэто­му мож­но гово­рить даже о галак­ти­че­ской фаб­ри­ке по про­из­вод­ству тяже­лых эле­мен­тов, в том числе золо­та – ведь имен­но этот металл боль­ше все­го инте­ре­су­ет зем­лян. Уче­ные начи­на­ют пред­ла­гать моде­ли, кото­рые объ­яс­ни­ли бы наблю­да­е­мые пара­мет­ры это­го сли­я­ния», – отме­тил Вят­ча­нин.

Резуль­та­ты реги­стра­ции гра­ви­та­ци­он­ных волн детек­то­ра­ми LIGO-Virgo так­же опуб­ли­ко­ва­ны в поне­дель­ник в жур­на­ле Physical Review Letters.

О коллаборации LIGO-LSC

Науч­ная кол­ла­бо­ра­ция LIGO-LSC (LIGO Scientific Collaboration) объ­еди­ня­ет более 1200 уче­ных из 100 инсти­ту­тов раз­лич­ных стран. Обсер­ва­то­рия LIGO постро­е­на и экс­плу­а­ти­ру­ет­ся Кали­фор­ний­ским и Мас­са­чу­сет­ским тех­но­ло­ги­че­ски­ми инсти­ту­та­ми. Парт­не­ром LIGO явля­ет­ся кол­ла­бо­ра­ция Virgo, в кото­рой рабо­та­ют 280 евро­пей­ских уче­ных и инже­не­ров из 20 иссле­до­ва­тель­ских групп. Детек­тор Virgo нахо­дит­ся неда­ле­ко от Пизы (Ита­лия).

В иссле­до­ва­ни­ях LIGO Scientific Collaboration при­ни­ма­ют уча­стие два науч­ных кол­лек­ти­ва из Рос­сии: груп­па физи­че­ско­го факуль­те­та Мос­ков­ско­го госу­дар­ствен­но­го уни­вер­си­те­та име­ни М.В. Ломо­но­со­ва и груп­па Инсти­ту­та при­клад­ной физи­ки РАН (Ниж­ний Нов­го­род). Иссле­до­ва­ния под­дер­жи­ва­ют­ся Рос­сий­ским фон­дом фун­да­мен­таль­ных иссле­до­ва­ний и Рос­сий­ским науч­ным фон­дом.

Детек­то­ры LIGO в 2015 году впер­вые заре­ги­стри­ро­ва­ли гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны от столк­но­ве­ния чер­ных дыр, а в фев­ра­ле 2016 года об откры­тии было объ­яв­ле­но на пресс-кон­фе­рен­ции. В 2017 году лау­ре­а­та­ми Нобе­лев­ской пре­мии по физи­ке ста­ли аме­ри­кан­ские физи­ки Рай­нер Вайсс, Кип Торн и Бер­ри Бэриш за реша­ю­щий вклад в про­ект LIGO, а так­же «наблю­де­ние за гра­ви­та­ци­он­ны­ми вол­на­ми».