Как гравитационные волны раскрыли тайну происхождения золота во Вселенной

Обсерватория LIGO, создатели которой получили Нобелевскую премию 2017 года, уже изменила мир астрономии. Когда в 2016 году ученые из международного научного сообщества LIGO об обнаружили первые гравитационные волны, они открыли новый способ наблюдения за Вселенной. Впервые ученые смогли «прислушаться» к колебаниям пространства-времени, возникающим в результате столкновения крупных объектов (например, черных дыр).

Но это было лишь начало. Цель заключалась в объединении наблюдения гравитационных волн с данными более привычных телескопов.

В октябре 2017 г. в журнале Physical Review Letters команда ученых LIGO, в которую входит несколько тысяч человек по всему миру, опубликовала ряд работ о невероятном открытии. Исследователи смогли не только обнаружить гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд, но и определить их координаты на небе, а также наблюдать явление через оптические и электромагнитные телескопы.

«Это одна из наиболее полных историй астрофизического явления, которую только можно представить», — делится впечатлениями физик Питер Солсон, работающий в Сиракузском университете и входящий в сообщество LIGO.

Каждый источник рассказывает свою часть истории

Гравитационные волны сообщают физикам размеры объектов и расстояние до них, что позволяет воссоздать момент перед их столкновением. Затем наблюдения за видимым излучением и электромагнитными волнами восполняют пробелы, которые не могут объяснить гравитационные волны. Они помогают астрономам узнать, из чего были сделаны объекты и какие химические элементы появились в результате столкновения. В нашем случае ученые смогли сделать вывод, что взрыв при слиянии нейтронных звезд привел к появлению тяжелых элементов — золота, платины и урана (что ранее лишь предполагали, но не могли подтвердить непосредственным наблюдением).

Теперь ученым удалось своими глазами увидеть алхимию Вселенной в действии. «Думаю, влияние этого открытия на науку будет значительнее, чем первое обнаружение черных дыр посредством гравитационных волн, — считает Дункан Браун, еще один ученый из сообщества LIGO и Сиракузского университета. — Здесь задействованы многие аспекты физики и астрономии». И все это — результат охоты за сокровищами среди звезд, в которую вовлечен весь мир. Гонка со временем.

Место, помеченное крестом

17 августа в 8 часов 41 минуту LIGO обнаружила гравитационные волны — искривление времени и пространства, — проходящие сквозь Землю. LIGO — это две обсерватории в американских штатах Луизиана и Вашингтон, построенные в виде буквы L. Они могут регистрировать волны, сжимающие и растягивающие пространственно-временной континуум.

За последние два года LIGO удалось обнаружить гравитационные волны, порожденные столкновением черных дыр. Но сигнал 17 августа был совсем иным. Он оказался намного сильнее того, что зарегистрировали при открытии черной дыры. Новый сигнал длился 100 секунд, тогда как сигналы от черных дыр — лишь несколько. Это означало, что столкновение произошло гораздо ближе к Земле.

Когда LIGO обнаруживает гравитационные волны, она автоматически рассылает уведомления сотням ученых по всему миру. Дункан Браун входит в их число. «Мы очень быстро получили оповещение по телефону и поняли, что это неожиданно сильный сигнал гравитационных волн. Нас это потрясло», — вспоминает он.

Сразу стало ясно, что это не слияние черных дыр. Первичный анализ показал, что волны возникли в результате столкновения двух нейтронных звезд — объектов с очень высокой плотностью. Считается, что внутри них образуются тяжелые химические элементы.

Когда LIGO обнаруживает гравитационные волны от столкновения черных дыр, в небе невозможно ничего увидеть: черные дыры, как можно понять из их названия, темные. А что насчет столкновения двух нейтронных звезд? Зрелище должно походить на красочный салют.

Так и произошло: спустя две секунды после сигнала LIGO, космический телескоп НАСА Fermi зарегистрировал гамма-всплеск — один из наиболее мощных выбросов энергии взрывного характера во Вселенной из известных нам. Уже давно астрономы строили теории, что слияние нейтронных звезд способно вызывать гамма-всплески. И теперь это не могло быть совпадением.

В то же время свет от такого взрывного слияния быстро тускнеет. Счет шел на минуты, и ученые из международного научного сообщества LIGO вынуждены были поторопиться. «Чем быстрее доберешься до телескопа, тем больше информации получишь», — замечает Браун. Из изучения света и его изменений ученые могут извлечь огромное количество информации, что поможет им лучше понять нейтронные звезды и то, как их слияние меняет материю.

Браун и его коллеги принялись за активную работу, организуя телеконференции с десятками ученых во всех уголках земного шара. Команда LIGO совместно с партнерами из VIRGO (итальянской обсерватории, отслеживающей гравитационные волны) трудились с удвоенной силой, чтобы создать карту звездного неба и определить положение источника гравитационных волн. Они сузили поиски до области размером с кулак на расстоянии вытянутой руки. (С астрономической точки зрения, даже эта область — огромное пространство. Участок карты со спичечную головку на расстоянии вытянутой руки может содержать в себе тысячи галактик.) Детектор VIRGO в Италии не засек сигнал, что помогло определить положение звезд. У VIRGO есть зоны отсутствия приема, следовательно нейтронные звезды должны были располагаться недалеко от одной из них.

Такая карта звездного неба получилась в результате объединения информации, полученной от Fermi, LIGO, VIRGO и Integral (еще одной обсерватории гамма-лучей). Каждый детектор предоставил область, в которой мог возникнуть сигнал. Там, где они накладывались, и обозначилось место, помеченное крестом на карте космических сокровищ.

С картой в руках команда LIGO разослала электронные письма астрономам в разных странах, которые могли бы исследовать эту область неба, как только опустится ночь.

И удача не обошла их стороной! Нескольким наземным обсерваториям удалось обнаружить положение килоновой (или макроновой) — взрыва от столкновения двух нейтронных звезд. Слева на фото видно то, что астрономы запечатлели в ночь открытия. Справа — то, как это выглядело спустя несколько дней. Взрыв заметно потускнел.

Так галактика выглядела за пару недель до образования килоновой (верхнее изображение). На нижнем изображении показан взрыв.

Изображения могут показаться нечеткими, но информации на них — море. Имея точные координаты, ученые могут настроить космический телескоп «Хаббл» и космическую рентгеновскую обсерваторию «Чандра» на взрыв килоновой. При помощи этих инструментов астрономам удастся одним глазком взглянуть на процесс мироздания.

Как сталкивающиеся нейтронные звезды создают золото

Нейтронные звезды — необычные космические тела. Они образуются в результате гравитационного коллапса звезд (например, при вспышках сверхновых звезд) и имеют очень высокую плотность. Представьте объект с массой как у Солнца, но с диаметром всего 25 километров. Это 333 000 масс всей Земли, сжатых в шарик размером приблизительно с Центральный округ Москвы. Давление внутри настолько огромно, что существовать там могут только нейтроны (протоны, слившиеся с электронами).

В галактике за 130 миллионов световых лет он нас два таких объекта “танцевали” друг вокруг друга, двигаясь по орбите и сближаясь все больше и больше. Они столкнулись, и выделенная энергия сквозь Вселенную отправила волну, искажающую время и пространство, и поток частиц (гамма-всплеск, обнаруженный наряду с гравитационными волнами). Как гравитационные волны, так и гамма-лучи перемещались со скоростью света. Это еще одно доказательство общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Возможно, после слияния нейтронные звезды образовали новую черную дыру, так как обладали достаточной массой. Однако пока недостаточно информации для однозначного заявления.

Но вот о чем уже можно сказать точно: после взрыва многие оставшиеся нейтроны соединились и образовали химические элементы.

Все мы и каждый элемент на Земле созданы из звезд. В результате Большого взрыва в начале времен образовались очень легкие элементы — водород и гелий. Эти элементы соединились, и получились звезды, внутри которых в ходе реакций синтеза появлялись элементы с бо́льшими и бо́льшими массами.

Когда звезды переходили в состояние сверхновых (коллапсирование и последующий взрыв), создавались еще более тяжелые элементы. Однако по словам Брауна, появление золота и платины долгое время оставалось загадкой. Даже взрывы сверхновых не обладают достаточной мощностью для их создания.

Существовали теории, согласно которым килоновая звезда (образующаяся при слиянии двух нейтронных звезд) способна произвести эти металлы. А так как астрономам удалось своевременно определить место, где произошло слияние, они подтвердили эту теорию. Цвет и качество света, оставшегося после взрыва, подтвердили образование золота и платины. Ученые будто наблюдали алхимию в действии.

«Золото на Земле некогда было создано после ядерного взрыва в результате слияния [нейтронных звезд], — объясняет Браун. — Сейчас у меня на пальце обручальное кольцо из платины. Подумать только, она появилась из-за столкновения нейтронных звезд!»

Грядет новая эпоха в астрономии

Описанное открытие знаменует начало новой эпохи в астрономии. Ученые смогут изучать небесные тела не только с помощью света и радиации, которые они излучают, но и сочетать эти наблюдения с информацией, полученной в ходе анализа гравитационных волн. Эта информация содержит то, как две нейтронные звезды двигались вокруг друг друга, когда произошло столкновение, а также огромный пласт информации о его последствиях.

Сочетание всех источников информации называется многоканальной астрономией, то есть астрономией на основе дополнения наблюдений электромагнитного спектра гравитационно-волновыми наблюдениями. Это было мечтой ученых из LIGO с момента образования обсерватории.

«Представьте, что вы живете в комнате без окон, и все, что вы можете — слышать гром, но не видеть молнию, — объясняет Вики Калогера, астрофизик из Северо-западного университета и член сообщества LIGO. — А теперь представьте, что вас переселили в комнату с окном. Отныне вы не только слышите гром, но и видите молнию. Молния дает совершенно новую возможность для изучения грозы и понимания того, что происходит в действительности». Гравитационные волны — гром. Наблюдения взрывов в телескоп — молния.

Всего месяц назад трое основателей LIGO получили Нобелевскую премию по физике за их новаторскую работу. Как заметил Эд Янг из издания The Atlantic, присуждение премии трем людям из сотен, сделавших значительный вклад в проект LIGO, создает неловкую и неоднозначную ситуацию. Однако последние результаты показывают, что премия за научную работу была заслуженной.

Лучшее в наблюдении за гравитационными волнами то, что процесс протекает пассивно. LIGO и VIRGO «услышат» любые гравитационные волны, проходящие мимо Земли в тот же день. Каждый сигнал означает начало новых поисков “сокровищ”, ведь ученым необходимо понять, что создало колебания в пространстве-времени.

Астрономы надеются увидеть больше слияний как черных дыр, так и нейтронных звезд. Но могут обнаружить и еще более интересные явления. Если обсерватории LIGO и VIRGO продолжат совершенствовать, есть вероятность, что удастся обнаружить гравитационные волны, оставшиеся от Большого взрыва. Или, что более волнующе, эти обсерватории смогут обнаружить источники гравитационных волн, о которых ранее не знали и которые не могли предсказать.

«Мне было грустно от того, что я родился уже после первой высадки человека на Луну, — сообщает Томас Корбитт, физик и член сообщества LIGO из Университета штата Луизина. — Но когда становишься свидетелем событий вроде этих, служащих доказательством больших успехов совместной деятельности, появляется вдохновение. Они открывают нам больше знаний о Вселенной».

Оригинал статьи на английском доступен по ссылке.