Началом новой эпохи в астрономии и физики стало прозвучавшее в понедельник заявление ученых о том, что они впервые обнаружили рябь пространства-времени, известную как гравитационные волны, которые образовались в результате столкновения двух нейтронных звезд. 17 августа эти волны из космоса достигли Земли в районе Индийского океана и были зарегистрированы двумя детекторными станциями американской Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и европейским детектором Virgo, расположенным в Италии.
Это уже пятый случай за последние два года, когда ученые фиксируют такие волны. Первым данное явление предсказал Эйнштейн, сделав это более 100 лет назад. А в этом году за открытия в области гравитационных волн Нобелевскую премию по физике получили три руководителя LIGO.
Однако все замеченные ранее гравитационные волны возникали от слияния черных дыр. Эти черные дыры имеют такую огромную плотность, что не выпускают свет. Поэтому такое слияние черных дыр по сути дела невозможно обнаружить обычными телескопами, несмотря на невероятно мощные гравитационные волны, которые они порождают в последние моменты своей неистовой спирали смерти. Без более обширной сети гравитационно-волновых обсерваторий астрономы не в состоянии определить точное местонахождение соединяющихся черных дыр, и уж тем более глубоко их изучить и проанализировать
Однако слияние нейтронных звезд начинается с объектов, которые по сравнению с черными дырами могут быть очень легкими. Нейтронная звезда — это сильно сжатое ядро закончившей свой век массивной звезды, и формируется она после взрыва сверхновой. Ее гравитационное поле обладает достаточной силой для того, чтобы сдавить и разрушить материю массой с целое Солнце, превратив ее в сферу из нейтронов размером с крупный город. Таким образом, это не звезда в обычном понимании, а в большей степени ядро атома размером с Манхэттен. Однако сила притяжения нейтронной звезды все равно слишком мала, чтобы удерживать свет, а поэтому вспышка от столкновения двух таких звезд может проникнуть в космос, создав не только гравитационные волны, но и один из самых ярких фейерверков во Вселенной, который может увидеть любой желающий.
В данном случае, когда первоначальный импульс гравитационных волн подал сигнал о начале слияния, фейерверк состоял из вспышки гамма-излучения длиной в две секунды и послесвечения разной длины волн, которое длилось несколько недель. В числе «любых желающих» оказались почти все астрономы и физики на нашей планете, которые знали об этом событии. Исследователь проекта Жюли Макинери (Julie McEnery), работающая с космическим гамма-телескопом Ферми, который зафиксировал вспышку гамма-лучей, назвала 17 августа «самым замечательным утром за все девять лет работы телескопа».
С астрономов, работающих вместе с физиками на телескопе LIGO и Virgo, взяли клятву о соблюдении секретности. Однако огромное количество наблюдений по всему миру неизбежно привело к распространению слухов, которые теперь нашли свое подтверждение. Речь идет об общемировой кампании наблюдения за столкновением и его последствиями. Всплеск новых наблюдений и возникновение новых теорий после столкновения является самым ярким образцом гравитационно-волновой астрономии. Это новая отрасль науки, которая собирает данные и изучает свет, гравитационные волны и субатомные частицы, образующиеся в результате астрофизических катаклизмов.
Одновременно в нескольких научных журналах было опубликовано огромное множество статей, авторы которых связали последние события с самыми разнообразными явлениями и предложили новые идеи по самым разным направлениям, начиная с фундаментальной ядерной физики и кончая эволюцией Вселенной. Среди прочего, это слияние дало наблюдателям возможность проследить за зарождением черной дыры, которая могла образоваться при столкновении нейтронных звезд. Но одно открытие является в буквальном смысле блестящим. Это убедительное доказательство того, что слияние нейтронных звезд является космическим плавильным котлом, в котором появляются тяжелые элементы нашей Вселенной, включая уран, платину и золото.
Таким образом, многое говорит о том, что радиоактивный материал в ядерном реакторе, каталитический нейтрализатор выхлопных газов в вашем автомобиле и драгоценный металл в вашем обручальном кольце являются результатом столкновения самых маленьких, самых плотных и самых экзотических звезд в нашей Вселенной, или по крайней мере, той их части, которая может ускользнуть из черных дыр, образующихся в результате слияния. Данное открытие поможет разрешить непрекращающиеся дебаты по вопросу космического происхождения тяжелых элементов, которыми теоретики занимаются более полувека. Основная часть водорода и гелия в нашей Вселенной появилась в первые моменты после большого взрыва. А большинство легких элементов, таких как кислород, углерод, азот и так далее, сформировались в результате ядерного синтеза в звездах. Но на вопрос о происхождении самых тяжелых элементов до настоящего времени не было ответа.
«Мы наткнулись на золотую жилу! — говорит Лаура Кадонати (Laura Cadonati), работающая астрофизиком в Технологическом институте штата Джорджия и являющаяся заместителем пресс-секретаря LIGO. — На самом деле, мы впервые обнаружили гравитационно-волновое и электромагнитное явление как единое астрофизическое событие. Гравитационные волны рассказывают нам историю о том, что произошло до катаклизма. Электромагнитное излучение повествует о том, что случилось после». Пока это не окончательные выводы, говорит Кадонати, однако анализ гравитационных волн этого явления со временем поможет раскрыть подробности того, как внутри нейтронных звезд при слиянии «разбрызгивается» материя, и ученые получат новые возможности для изучения этих странных объектов, а также выяснят, каких размеров они могут достигать до схлопывания и превращения в черную дыру. Кадонати также отмечает, что была какая-то таинственная задержка в пару секунд между окончанием всплеска гравитационной волны и началом гамма-излучения. Возможно, это тот промежуток времени, когда структурная целостность сливающихся нейтронных звезд непродолжительное время сопротивлялась неизбежному коллапсу.
Многие исследователи уже давно ожидают этого прорывного открытия. «Мои мечты осуществились, — говорит астрофизик Сабольч Марка (Szabolcs Marka), работающий в Колумбийском университете и входящий в научный коллектив LIGO. Этот человек еще в конце девяностых годов стал приверженцем гравитационно-волновой астрономии, дополненной наблюдениями электромагнитного спектра. В те годы, вспоминает Марка, его считали безумцем, который пытается подготовиться к будущим наблюдениям за гравитационными волнами, хотя до непосредственного открытия этого явления оставалось еще несколько десятков лет. «Теперь я и мои коллеги чувствуем себя отмщенными, — говорит он. — Мы изучили эту систему сталкивающихся нейтронных звезд в очень разнообразном наборе сигналов. Мы увидели это в гравитационных волнах, в гамма-излучении, в ультрафиолете, в видимом и инфракрасном свете, а также в рентгеновских лучах и радиоволнах. Это революция и эволюция в астрономии, на которую я возлагал надежды еще 20 лет назад».
Директор Национального научного фонда (это федеральное ведомство, обеспечивающее основную часть финансирования LIGO) Франс Кордова (France Córdova) заявил, что последнее достижение является «историческим моментом в науке», и что оно стало возможным благодаря устойчивой и многолетней поддержке правительства, оказываемой многим астрофизическим обсерваториям. «Обнаружение гравитационных волн, начиная с первого короткого вибросейсмического сигнала, который услышали во всем мире, и кончая последним, более длительным сигналом, не только оправдывает рискованные, но дающие большое вознаграждение инвестиции, выделяемые Национальным научным фондом, но также подталкивает нас к тому, чтобы сделать больше в этом направлении, — говорит Кордова. — Я надеюсь, что ННФ будет и дальше оказывать поддержку новаторам и инновациям, которые преобразуют наши знания и вдохновляют грядущие поколения».
Прекрасная возможность
Когда были обнаружены начальные гравитационные волны от слияния и последующее гамма-излучение (его немедленно зафиксировали ученые при помощи телескопа Ферми и космических телескопов обсерватории INTEGRAL), началась гонка в попытке выяснить, каков источник столкновения в космосе, а также его послесвечения. Очень быстро многочисленные коллективы ученых нацелили имеющиеся телескопы на тот участок неба, где по расчетам исследователей с LIGO и Virgo должен был находиться источник. Это был участок неба, охватывающий 31 квадратный градус, в котором расположены сотни галактик. (По словам Кадонати, если бы использовалась только обсерватория LIGO, эти наблюдения были бы похожи на поиски золотого кольца, лежащего на дне Тихого океана. Но получив третью точку данных от Virgo, говорит она, исследователи сумели вычислить местоположение источника, и в результате наблюдения стали больше похожи «на поиски золотого кольца в Средиземном море».)
Основную часть наблюдений ученые проводили в чилийских обсерваториях. Свою работу они начали сразу после захода солнца, когда из-за горизонта вышел нужный участок неба. Разные коллективы ученых применяли самые разнообразные стратегии поиска. Кто-то просто осуществлял сплошное наблюдение за участком неба, методично перемещаясь от одной стороны к другой; кто-то нацелился на галактики, в которых с наибольшей долей вероятности могло произойти слияние нейтронных звезд. В конечном итоге вторая стратегия оказалась выигрышной.
Первым оптическое послесвечение увидел докторант и исследователь из Калифорнийского университета в Санта Крузе Чарльз Килпатрик (Charles Kilpatrick). Он сидел за столом в своем кабинете и просматривал изображения некоторых галактик, получив задание от одного из своих коллег астронома Райана Фоли (Ryan Foley), который участвовал в организации этого проекта. Девятым снимком, который он начал изучать, была фотография, поспешно снятая и переданная коллегами, находившимися на другом конце света и работавшими на огромном телескопе Swope в чилийской обсерватории Лас-Кампанас. Именно на нем он увидел то, что искали все: ярко-голубую точку в центре гигантской эллиптической галактики, представляющей собой скопление старых красных звезд в возрасте 10 миллиардов лет, которые находились на расстоянии 120 миллионов световых лет. Все они были безымянными, если не считать обозначений в каталогах. Считается, что именно в таких галактиках чаще всего происходят слияния нейтронных звезд, поскольку они старые, у их звезд большая плотность, а молодых звезд в таких галактиках довольно мало. Сравнив этот снимок с более ранними изображениями той же самой галактики, Килпатрик не увидел на них такой точки. Это было нечто новое, появившееся совсем недавно. «Очень медленно до меня дошло, какой это исторический момент, — вспоминает Килпатрик. — Но в то время я был сосредоточен на своей задаче, стараясь работать как можно быстрее».
Килпатрик сообщил об увиденном другим членам своей команды, в том числе, астроному из обсерваторий Карнеги Джошу Саймону (Josh Simon), который быстро получил подтверждающее изображение при помощи одного из самых крупных телескопов Magellan в Чили диаметром шесть с половиной метров. На этих изображениях голубая точка тоже присутствовала. В течение часа Саймон занимался измерениями спектра этой точки, то есть, различных цветов испускаемого ею света. Делал он это парными снимками с выдержкой в пять минут. Саймон посчитал, что такие спектральные снимки окажутся полезными для дальнейших исследований. А если нет, то в любом случае они смогут доказать, что это не просто какая-то заурядная суперновая или другой космический самозванец. Тем временем, и другие коллективы ученых тоже заметили эту точку и занялись ее исследованиями. Но команда Фоли быстрее других нашла подтверждение и провела спектральный анализ, обеспечив себе первенство в этом открытии. «Мы первыми получили изображение, и мы первыми идентифицировали источник этого изображения, — говорит Саймон. — А поскольку и первое, и второе мы получили очень быстро, нам удалось сделать первый спектральный анализ этого слияния, чего в ту ночь не сумел сделать никто в Чили. После этого мы объявили о своем открытии всему научному сообществу».
Эти первые спектральные наблюдения оказались чрезвычайно важными для последующего анализа и разрешения некоторых загадок. Они показали, что остатки от слияния быстро охлаждаются и теряют свой ярко-голубой свет, который превращается в темно-рубиновый. Эти данные в последующие недели удалось проверить и подтвердить в ходе наблюдений, пока видимая точка бледнела и угасала, а ее послесвечение смещалось, и яркий свет переходил в инфракрасную зону спектра с большей длиной волны. Общие закономерности цветов, процесса охлаждения и расширения были очень похожи на то, что ранее предсказывали многие теоретики, работавшие независимо друг от друга. Прежде всего, это Брайан Мецгер (Brian Metzger) из Колумбийского университета и Дэн Кейсен (Dan Kasen) из Калифорнийского университета в Беркли.
Короче говоря, объясняет Мецгер, то, что увидели астрономы после этого слияния, можно назвать «килоновой». Это интенсивная вспышка света, образовавшегося за счет выделения и последующего радиоактивного распада раскаленного до белизны и богатого нейтронами материала из нейтронной звезды. По мере того, как этот материал расширяется и охлаждается, большая часть его нейтронов захватывается ядрами железа и других тяжелых элементов, оставшихся в виде пепла после взрыва сверхновой и образования нейтронной звезды. «Это приводит к созданию еще более тяжелых элементов в течение примерно одной секунды, когда выбрасываемые частицы захватывают эти нейтроны и расширяются в пространстве. Одно из этих слияний формирует нижнюю половину периодической таблицы, а именно, золото, платину, уран и так далее», — говорит Мецгер. На завершающем этапе свет от килоновой резко смещается в инфракрасную зону, когда нейтроны, каскадом вылетающие из выброса, формируют самые тяжелые элементы, которые весьма эффективно поглощают видимый свет.
Измерение спектральных изменений тела килоновой, в свою очередь, позволяет астрономам определить количество различных элементов, образовавшихся в процессе слияния. Эдо Бергер (Edo Berger), изучающий килоновые в Смитсоновском центре астрофизики и руководивший многочисленными и самыми амбициозными наблюдениями за этим слиянием, говорит, что в результате данного события образовались тяжелые элементы, по своей массе равные 16 тысяч масс Земли. «Там есть все: золото, платина, уран, а также другие, самые странные элементы, которые нам известны в виде букв в периодической таблице, хотя мы не знаем их названия, — говорит он. — А что касается распада, то точный ответ на этот вопрос нам пока неизвестен».
Некоторые теоретики предполагают, что количество образовавшегося в результате слияния золота составляет лишь несколько десятых частей земной массы. Мецгер, со своей стороны, полагает, что это количество равно приблизительно 100 массам Земли. По его оценке, платины образовалось в три раза больше земной массы, а урана — в 10 раз меньше. В любом случае, если сопоставить новые статистические оценки частоты таких слияний, основываясь на последних измерениях, то у нас получается довольно большое количество таких событий. «Их достаточно, чтобы сформировать и накопить те элементы, которые образуют нашу собственную солнечную систему и то многообразие звезд, которое мы видим, — говорит Мецгер. — На основе того, что мы увидели, можно подробно объяснить эти слияния. Наверное, есть и другие способы образования тяжелых элементов, но похоже, что нам они не нужны». По его словам, каждые 10 тысяч лет в Млечном пути происходит только одно слияние нейтронных звезд.
Дальние рубежи
Более того, изучение процесса слияния и образования килоновой может дать нам очень важную информацию о том, как происходило столкновение. Например, свет от первоначального выброса после слияния был более голубым, чем ожидали ученые. Исходя из этого, Мецгер и другие ученые сделали вывод о том, что они смотрели на килоновую под углом, а не прямо. Если брать за основу такой сценарий, то первоначальный голубой выброс исходил из сферической оболочки или расположенной по экватору полосы материала с небольшим содержанием нейтронов, которые выдувались наружу из нейтронных звезд на скорости, равной оценочно 10% от скорости света. Более поздняя и более красная эмиссия могла исходить из материала с большим содержанием нейтронов, который был выброшен с полюсов нейтронных звезд при их столкновении со скоростью в два-три раза выше — подобно зубной пасте, выдавливаемой из тюбика.
Если сопоставить такой сценарий с подробными данными наблюдений в рентгеновском и радиодиапазоне, то становится более понятным весьма любопытный характер выброса гамма-лучей, связанного с таким слиянием. Это была самая близкая вспышка гамма-излучения за всю историю наблюдений, но также одна из самых слабых. Считается, что кратковременные всплески гамма-излучения являются биполярными выбросами интенсивной радиации, которая ускоряется и выбрасывается почти со скоростью света магнитными полями внутри сталкивающихся нейтронных звезд, когда те сливаются и схлопываются в черную дыру. Если смотреть на эту вспышку гамма-излучения прямо (глаза в глаза, если можно так выразиться), то она будет очень яркая. Так бывает в большинстве случаев таких выбросов, которые наблюдают астрономы на удаленных участках Вселенной. Но если смотреть на эти всплески гамма-излучения под углом, то они кажутся довольно тусклыми, а обнаружить их можно лишь в том случае, если они находятся довольно близко, в пределах нескольких сотен миллионов световых лет.
Таким образом, используя многочисленные данные, накопленные гравитационно-волновой астрономией, ученые смогут со временем определить углы обзора многих килоновых во всей наблюдаемой части Вселенной, и это позволит им более точно измерять крупномасштабные космические структуры и изучать их эволюцию. Ученые получат возможность для разгадки тех тайн, которые намного глубже, чем происхождение тяжелых элементов, скажем, того вызывающего недоумение обстоятельства, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением под воздействием некоей масштабной антигравитационной силы, известной как темная энергия.
Исследователи из области космологии надеются на то, что им удастся лучше понять темную энергию, точно измерив ее воздействие на Вселенную, проследить объекты, находящиеся в удаленных регионах Вселенной, понять, насколько они удалены, и как быстро они движутся в ускоряющихся потоках темной энергии. Но для этого ученым нужны надежные «стандартные свечи», то есть, объекты известной яркости, которые можно было бы использовать для калибровки этого огромного, всеохватывающего поля пространства-времени. Астрофизик Дэниэл Хольц (Daniel Holz), работающий в Чикагском университете и сотрудничающий с коллективом LIGO, продемонстрировал, каким образом сливающиеся нейтронные звезды могут способствовать этим усилиям. В своей работе он показывает, что силу гравитационных волн, образовавшихся в ходе последнего слияния, а также выбросы килоновой можно использовать для вычисления темпов расширения ближайших участков Вселенной. Этот метод ограничен всего одним слиянием, и поэтому получаемые с его помощью значения отличаются существенной неопределенностью, хотя они подтверждают те данные по темпам расширения, которые получены при использовании других методов. Но в предстоящие годы гравитационно-волновые обсерватории, а также наземные и космические телескопы нового поколения и больших размеров будут работать совместно, открывая сотни и даже тысячи столкновений нейтронных звезд ежегодно. В этом случае точность оценок заметно повысится.
«Что все это означает? А то, что измерения гравитационных волн от этих слияний, проведенные LIGO и Virgo, будут дополнены моделями килоновых, и тогда ученые смогут понять, каковы их наклонения и углы обзора, исследуя их спектральную эволюцию с переходом из синего в красный цвет». Об этом говорит астрофизик Ричард О'Шонесси (Richard O'Shaughnessy), работающий в Рочестерском технологическом институте и входящий в состав коллектива LIGO. «Это очень мощное объединение усилий. Если мы будем знать наклонение, мы сможем вычислить расстояние, А это будет очень полезно для космологии. То, что сделано сейчас, является прототипом того, что мы будем регулярно делать в будущем».
«Если хорошенько задуматься, то Вселенная представляет собой своего рода коллайдер космических частиц, и частицами в этом коллайдере являются нейтронные звезды, — говорит О'Шонесси. — Он сталкивает эти частицы, и теперь у нас появилась возможность понять, что из этого получается. В предстоящие годы мы увидим большое количество таких событий. Не знаю точно, сколько их будет, но люди уже называют это космическим дождем. Это даст нам реальные данные, позволяющие соединить очень разные и обрывистые нити астрофизики, которые прежде существовали лишь в умах теоретиков или в виде отдельных кусочков информации в моделях суперкомпьютеров. Это даст нам возможность понять причины изобилия тяжелых элементов в космосе. Это даст нам возможности для изучения мягкой и легко сжимаемой ядерной материи в условиях огромной плотности. Мы получим возможность измерить темпы расширения Вселенной. Такие совместные усилия предоставят обширные возможности астрофизике высоких энергий и поставят перед ней множество задач на предстоящие десятилетия. И основой такого сотрудничества станут многолетние инвестиции. Сегодня мы пожинаем плоды в виде огромной горы золота, масса которой в десятки или даже сотни раз превышает массу Земли. Этот подарок нам преподнесла Вселенная».
Ли Биллингс — заместитель главного редактора Scientific American. Он пишет о космосе и физике.
