Гравитационная волна позволила впервые увидеть слияние нейтронных звезд

Все кругом твердят про гравитационные волны и слияние нейтронных звезд: что это такое?

Что такое гравитационные волны?

Как мы уже писали, гравитационные волны — это рябь пространства-времени, возникающая когда два сверхплотных тела начинают ускоряться друг рядом с другом. Представим себе натянутое полотно, на которое бросили один стальной шарик — он он слегка продавит полотно. Если мы положим рядом второй шарик, он тоже продавит полотно. А вот если мы начнем быстро двигать шарики по спирали все ближе друг к другу, то «продавленные» места начнут накладываться друг на друга и ткань пойдет волнами. Нечто похожее происходит и в космосе.

Волны резко слабеют по мере удаления от источника. Из этого следует, что их вообще очень тяжело засечь. Взаимное ускорение двух сверхмассивных тел бывает только перед слиянием. А черные дыры сливаются довольно редко. Нейтронные звезды — другой кандидат для слияний и поглощений — могут делать это чаще, но они в десятки раз легче. То есть «увидеть» такое событие реально лишь на гораздо меньших дистанциях, чем для черных дыр.

Все кругом твердят про гравитационные волны и слияние нейтронных звезд

Все кругом твердят про гравитационные волны и слияние нейтронных звезд

Нейтронные звезды — космические фабрики золота и урана

При этом наблюдение слияний таких звезд чрезвычайно важно. Астрофизики уже давно подсчитали: без такого процесса картина окружающей нас Вселенной «не складывается». Возьмем нашу планету или Солнечную систему — у нас сравнительно много золота, платины, иридия и урана. Это хорошо для ювелиров и атомщиков, но совершенно противоречит всем расчетам того, как должны образовываться такие тяжелые элементы. Звезды типа Солнца почти не «производят» ничего тяжелее углерода — их масса слишком мала, давление в центре тоже относительно низкое, и слияние ядер таких атомов в центре нашего светила не идет.

Есть еще сверхновые. Это массивные звезды, взрывающиеся в конце жизненного пути. Но и они не должны давать много тяжелых элементов. Чтобы получить много урана или золота, надо чтобы в ядро более легкого атома «залетело» побольше свободных нейтронов — причем очень быстро, потому что иначе ядро распадется до того, как наберет нужное число нейтронов, с которым может долго существовать. А процесс набора нейтронов во вспышках сверхновых (s-процесс), как назло, слишком медленный.

Поэтому была предложена гипотеза так называемых r-процессов, или быстрого набора нейтронов ядрами атомов. Проблема в том, что для него надо, чтобы вокруг атомов было много свободных нейтронов. Лучший кандидат для этого — нейтронная звезда. Диаметр у нее обычно меньше протяженности среднего российского города, зато масса больше, чем у Солнца. Поэтому там чудовищная плотность вещества, а гравитационное поле в 200 миллиардов раз сильнее земного и в семь миллиардов раз сильнее, чем на поверхности Солнца.

Черные дыры сливаются довольно редко

От такой гравитации атомы «плющат» друг друга, и из них «вылетает» часть нейтронов. Если две нейтронные звезды столкнутся, то атомные ядра начнут активно перемешиваться с нейтронами при огромном давлении и температуре. И это именно то, что надо для образования золота, платины, урана и прочего цезия. Считается, что именно так возникла примерно половина всех элементов тяжелее железа, что нас окружает. Да-да, обручальное кольцо у вас на пальце несет вещество от слияния пары нейтронных звёзд!

Гравитационные волны как наводчик. Телескоп как золотоискатель

Это была отличная гипотеза, но у нее был недостаток — нейтронные звезды очень «темные». Когда у вас гравитация в 200 миллиардов мощнее земной, фотоны с трудом покидают поверхность. Они практически потухшие, излучение у них в видимом диапазоне не очень сильное. Нейтронные звезды трудно увидеть уже с сотен световых лет. А слияния случаются не так часто, и большинство довольно далеко. До регистрации первых гравитационных волн в позапрошлом году найти следы такого события было очень тяжело.

17 августа 2020 года астрономы зарегистрировали колебания пространства-времени, длившиеся 100 секунд. Они сразу заподозрили, что оно произошло при сближении и слиянии двух нейтронных звезд. Впервые появилась возможность доказать старые гипотезы!

Впрочем, гравиволны — это еще не все. Да, волна GW170817, зафиксированная американским детектором LIGO (построенным, кстати, по схеме, предложенной в СССР еще в 1950-х годах) показала, что в этот раз сливались тела в 1,1-1,6 масс Солнца. Что слишком мало для черных дыр. Но зато как раз тот диапазон масс, что могут иметь нейтронные звезды. Однако, как понять, образовались ли там золото, уран и прочие элементы с неясным происхождением?

Для этого были использованы телескопы и спектрометры более чем 70 обсерваторий по всему миру. Они увидели как гамма-излучение от распада тяжелых радиоактивных элементов, так и спектральные следы цезия, теллура, платины, золота, и других элементов. Что еще важнее, они увидели вспышку килоновой. Так называют вспышку в «тысячу новых» звезд, которая, при этом, слабее сверхновой. До сих пор их удавалось видеть только в телескопы. И хотя были предположения, что это и есть слияние двух нейтронных звезд, до регистрации гравиволны GW170817 проверить это было никак нельзя.

Нужно больше золота, милорд

Наблюдения следов тяжелых металлов — это хорошо. Но куда лучше было бы сделать их побольше, не ограничиваться нынешним открытием. Здорово, что теперь у человечества есть LIGO и возможность дальше искать килоновы с помощью гравитационных волн.

Дело в том, что пока мы не поймем частоту таких слияний, будет неясно, насколько большая доля тяжелых элементов возникла именно в нейтронных звездах. Кроме того, слияние — опаснейшее событие. Когда один гиперплотный объект диаметром с Пермь падает на другой, образование тяжелых элементов сопровождается мощнейшей гамма-вспышкой. Астрономы уже давно ставят вопрос о том, что такое событие своим гамма-излучением может стерилизовать Землю. По крайней мере, если оно случится очень близко и наша планета будет «в фокусе» вспышки. Некоторые исследователи считают, что так уже случалось, отчего на планете были массовые вымирания. Чтобы понять, насколько серьезна угроза, и нужно ли с ней бороться, неплохо бы сначала узнать, как часто вспыхивают такие убийственные «фабрики золота».

Обо всем важном и интересном в мире науки мы также рассказываем в наших каналах в Telegram и Яндекс.Дзен.

Насколько большая нейтронная звезда?

Франко-итальянский детектор гравитационных волн Virgo. Фото: НАСА

Франко-итальянский детектор гравитационных волн Virgo. Фото: НАСА

Для первоначальной оценки размеров нейтронной звезды у исследователей было несколько различных моделей, которые могли описать состояния нейтронных звезд. Из этой вариации ученые выбрали несколько моделей, которые могли бы объяснить предыдущие астрофизические наблюдения нейтронных звезд. После этого они наложили полученные данные на результаты наблюдения системы GW170817 с помощью данных регистраторов гравитационных волн LIGO и Virgo. Это позволило ученым не только получить достоверную информацию о физике плотной материи, но и получить самые строгие ограничения на размер нейтронных звезд на сегодняшний день.

Определение радиуса по наблюдениям гравитационных волн

Ключевым фактором, способствующим новым открытиям, стало появление двух последних результатов в наблюдательной астрофизике: измерение гравитационных волн от слияния нейтронных звезд и обнаружение очень массивных нейтронных звезд с массами, близкими к двум солнечным массам.

Смотрите также

Астрономия

Обнаружены два странных коричневых карлика

12.07.2020

Астрофизика

Умирающие звезды рождают новую жизнь

6.07.2020

Осенью 2020 года обсерватории LIGO и Virgo впервые обнаружили гравитационные волны, генерируемые двумя сливающимися нейтронными звездами.

Это наблюдение установило строгий верхний предел для величины, называемой приливной деформируемостью, которая измеряет восприимчивость структуры вращающейся звезды к гравитационному полю ее спутника.

Этот результат впоследствии был использован для получения верхнего предела радиусов сталкивающихся нейтронных звезд, который оказался равен примерно 13 км.

Хотя первое наблюдение нейтронной звезды относится к 1967 году, точные измерения массы этих звезд были возможны только в течение последних 20 лет или около того. Большинство звезд с точно известными массами попадают в окно между 1 и 1,7 солнечными массами, но в последнее десятилетие мы стали свидетелями обнаружения трех звезд, либо достигающих, либо, возможно, даже немного превышающих предел двух солнечных масс.

Странная планета

Детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo зарегистрировали новый сигнал, указывающий на далекое слияние черной дыры с… объектом неясной природы. До сих пор эти инструменты замечали слияния пар черных дыр или нейтронных звезд. Это наиболее плотные и массивные объекты во Вселенной: сближаясь и сталкиваясь, они создают «рябь» в пространстве-времени, которая и разбегается в стороны гравитационными волнами.

На сей раз определиться с природой слившейся пары GW190814 будет сложнее. Судя по размерам, один из объектов имеет массу около 23 масс Солнца и действительно является черной дырой. Но второй почти вдесятеро его легче. При массе 2,6 солнечных масс он оказывается слишком мал для черной дыры и слишком велик для нейтронной звезды. Об этом ученые сообщают в статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters.

©Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Верхний предел для нейтронных звезд составляет 2,5 солнечных масс — расчеты показывают, что более тяжелые коллапсируют в черную дыру. С другой стороны, существовать черной дыре массой всего 2,6 солнечной ничто не мешает, хотя до сих пор самая миниатюрная из известных ученым черных дыр набирает около пяти солнечных масс. На это же указывают дальнейшие наблюдения — вернее, их отсутствие.

LIGO и Virgo заметили событие 14 августа 2020 года. Сразу же и традиционные телескопы стали отсматривать тот же участок неба, чтобы увидеть свечение GW190814 в других телескопах, но ничего не обнаружили. В такой «полной темноте» может происходить слияние черных дыр, хотя мы могли не заметить послесвечение и от нейтронной звезды: в конце концов, все происходило на дистанции около 800 миллионов световых лет. Наконец, слияние могло произойти чрезвычайно быстро, практически не произведя излучения.

Но все-таки, скорее всего, мы имеем дело с небольшой черной дырой. Такой сценарий вполне укладывается в существующие представления о природе этих объектов и не требует их пересмотра, как если бы GW190814 действительно оказался нейтронной звездой. Тем не менее слияние стало самым «асимметричным» из всех, какие до сих пор наблюдали ученые. Соотношение масс объектов составило 9:1 — тогда как максимум, который был зарегистрирован прежде, составлял 4:1 (для слияния пары черных дыр GW190412).

Оригинал earth-chronicles.ru

По теме:

В 16 световых годах от Земли зафиксирована сильнейшая супер вспышка

Девятую планету предложили искать по оптическим вспышкам

Астрономы-любители открыли два необычных коричневых карлика

Железо и магний – основные элементы планет

Какие бывают метеориты и сколько они стоят?

Что такое черные планеты и существуют ли они?

Разумна ли наша Вселенная?

Гипотетическая Девятая планета может оказаться первичной черной дырой

NASA планирует превращать лунный реголит в кислород

Астронавты НАСА, возможно, полетят на Марс через Венеру

Spread the love

Будущие наблюдения за нейтронными звездами

«Эти результаты впечатляют не только потому, что мы смогли значительно улучшить измерения радиусов нейтронных звезд, но и потому, что они дают нам представление о судьбе нейтронных звезд в сливающихся двойных системах», — говорит Стефани Браун, соавтор публикации. Благодаря этому исследованию астрономы наконец-то смогут выйти на такой высокий уровень, что смогут отличать только по анализу гравитационных волн слияние двух нейтронных звезд от слияния двух черных дыр.

Однако существует один нюанс. Слияние черной дыры и нейтронный звезды будет достаточно сложно отличить от слияния двух черных дыр. Для их разделения придется воспользоваться еще изучением их электромагнитного спектра. Но и здесь есть загвоздка. На основании теоретических расчетов, астрономы предполагают, что при таком слияние нейтронная звезда не будет разорвана черной дырой, а просто «нырнет» внутрь. Исключением будет лишь тот слушай, когда размер черной дыры достаточно мал или её скорость вращения достаточно велика.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 4 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: