Астрономи вперше в історії спостерігали світло від джерела гравітаційних хвиль

Цей епізод в історії астрономічних досліджень увійде в підручники як перший випадок, коли людство отримало одночасно світловий та гравітаційний сигнал від одного джерела. Дані з телескопів свідчать про те, що об’єкт спостережень утворився в результаті злиття двох нейтронних зір.

  • перша в історії фіксація світла від джерела гравітаційних хвиль;
  • перше підтверджене спостереження надпотужного варіанту вибуху нової, відомого як “кілонова”;
  • джерело вибуху від злиття пари нейтронних зір виникло на рекордно короткій відстані від Землі – 130 млн світлових років.
  • нейтронні зорі виявились одним з головних виробників важких хімічних елементів з періодичної таблиці.
  • сама подія трапилась у далекому минулому, близько 130 млн років тому.

Масив телескопів Європейської південної обсерваторії (ESO) у Чилі вперше в історії спостережень зафіксував світло від джерела гравітаційних хвиль.

Моделювання злиття пари нейтронних зір та утворення GW170817. W. Kastaun/T. Kawamura/B. Giacomazzo/R. Ciolfi/A. Endrizzi

Наслідком передбачуваного катаклізму, який називають кілоновою, став гігантський викид важких хімічних елементів, таких як золото та платина. Відкриття було опубліковане в декількох роботах в журналі Nature та ін. Завдяки спільним зусиллям науковців, ми отримали переконливі докази на користь того, що короткі спалахи гамма-випромінювання викликаються зіткненням та злиттям пар нейтронних зір.

Нарешті, чутки підтвердились

Гравітаційні хвилі та світло

17 серпня 2017 року Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (CША) та європейський інтерферометр VIRGO зафіксували гравітаційні хвилі, які пронеслися повз Землю. Джерело отримало назву GW170817. Вже за декілька секунд після події дві космічні обсерваторії, GLAST — орбітальна гамма-обсерваторія Американського космічного агентства NASA та масив INTEGRAL ЄКА, зафіксували спалах гамма-випромінювання у тому ж самому регіоні космосу.

Наближення до сузір’я Гідри. Саме з цього напрямку 7 серпня 2017 р. було виявлено гравітаційні хвилі за допомогою LIGO-Virgo. Синя область показує велику площу, в якій, імовірно, розташовувалось джерело. Астрономи також обстежили регіон навколо галактики NGC 4993, де було виявлено перехідне джерело. Остання послідовність кадрів демонструє, як телескоп VISTA відслідковував це джерело – кілонову. Джерело: N. Risinger (skysurvey.org), LIGO-Virgo, Digitized Sky Survey 2, ESO. Music: Johan B. Monell

Об’єднаний масив LIGO-VIRGO визначив, що джерело знаходилось в межах великої ділянки південного неба, розміром у декілька сотень повних Місяців, та яка містила мільйони зір. З настанням ночі у гру вступив масив телескопів Європейської південної обсерваторії у Південній Америці. Метровий телескоп SWAP першим уточнив положення джерела, і ділянка можливого розташування об’єкта звузилась до регіону поряд з NGC 4993, галактики у формі лінзи у сузір’ї Гідри. Згодом на той самий регіон вказав інфрачервоний телескоп VISTA.

Кілонова у галактиці NGC 4993
Космічний телескоп “Габбл” отримав оптичне зображення кілонової у галактиці NGC 4993. Джерело: NASA та ESA. N.  Tanvir (U. Leicester), A. Levan (U. Warwick), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)

Планетарна кооперація перед обличчям історичного відкриття

Європейське космічне агентство дало старт наймасштабнішій кампанії спільних спостережень, залучивши також своїх партнерів з NASA. По мірі обертання Землі, до спостережень приєдналися телескопи на Гаваях, Дуже великий телескоп (VLT), NTT та інші. Загалом, під час кампанії було проведено близько 70 спостережень по всьому світу, включно з роботою космічного телескопа Габбл.

Опрацювавши дані з гравітаційних детекторів та телескопів, дослідники з’ясували, що GW170817 знаходився на однаковій відстані, що й галактика NGC 4993 – близько 130 мільйонів світлових років від Землі. Таким чином, GW170817 став досі найближчою зафіксованою подією з появою гравітаційних хвиль та, водночас, одним з найближчих відкритих джерел спалахів гамма-випромінювання за всю історію спостережень.

VST NGC 4993
Знімок галактики NGC 4993 на відстані 130 млн світлових років, зроблений телескопом. ESO/A. Grado

Брижі на тканині простору-часу, також відомі як гравітаційні хвилі, викликаються швидким та інтенсивним рухом матерії зі значною масою. Злиття двох нейтронних зір є одним з прикладів джерела гравітаційних коливань.

Нейтронні зорі є результатом колапсу ядер масивних наднових зір, які втратили свої оболонки під час вибуху. У космосі поширені пари, що обертаються довкола спільного центру мас. Досі головною гіпотезою появи коротких гамма-спалахів були пари нейтронних зір після зіткнення.

Оскільки такі події у 1000 разів яскравіші за “нові”, вони отримали назву “кілонова”.

Одразу після злиття нейтронних зір, з кілонової вирвалась хвиля з важких радіоактивних хімічних елементів. Згідно з розрахунками вчених, швидкість цього фронту сягала 1/5 швидкості світла.

“Я ніколи не бачив нічого схожого. Наші дані, а також дані інших груп, довели всім, що це була не наднова чи змінна зоря на передньому плані, а щось неймовірне.”

– відзначив Стівен Смартт, керівник серії спостережень на телескопі ESO NTT.

Більше не теорія

Аналіз спектру вибуху також показав присутність у хмарах цезію та телуру. Вони утворилися під час злиття нейтронних зір та були рознесені у боки вибухом кілонової.

Вибух кілонової
Вибух кілонової в уявленні художника. На думку вчених, такий катаклізм породжує цілий ряд важких хімічних елементів, які поширюються космосом. Джерело: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Раніше науковці лише теоретично припускали існування механізму синтезу елементів, важчих за залізо, у щільних космічних об’єктах, називаючи це r-процесом нуклеосинтезу.

“Дані, які ми отримали, на диво точно відповідають теорії. Це тріумф для теоретиків, підтвердження того, що події з LIGO-VIRGO є абсолютно реальними, та значне досягнення для ESO, яка зібрала такі приголомшливі дані з кілонової.”

– зазначив Стефано Ковіно, головний автор публікацій у Nature.