Научный прорыв: комбинация гравитационных и электромагнитных волн

Гравитационные волны стали самым важным инструментом из доступных астрономам. Они уже используются для подтверждения того, что крупные чёрные дыры (ЧД) – с массами в десять или больше раз, чем у Солнца – и слияния этих крупных ЧД, формирующие ещё более крупные ЧД, не так уж редко происходят во Вселенной. В октябре 2017 года этот инструмент совершил рывок вперёд.

Уже давно было известно, что нейтронные звёзды (НЗ), схлопнувшиеся останки звёзд, взорвавшихся и ставших сверхновыми, во Вселенной встречаются часто. И почти столько же известно, что НЗ иногда ходят парами. (Именно так были впервые опосредованно открыты гравитационные волны в 1970-х). Звёзды часто формируют пары, и иногда обе звезды взрываются и становятся сверхновыми, а их остатки в виде НЗ обращаются вокруг друг друга. Согласно теории относительности Эйнштейна, пара звёзд должна постепенно терять энергию, испуская в космос гравитационные волны, и медленно, но верно два этих объекта должны по спирали падать друг на друга. В итоге, по прошествии миллионов или даже миллиардов лет они сталкиваются и сливаются в более крупную НЗ или в ЧД. В результате этого столкновения происходят два события.

1. Возникает некая очень яркая вспышка света – электромагнитные волны – о подробностях которой мы можем только догадываться. Некоторые из этих волн будут видимым светом, а большая их часть – невидимой, например, гамма-излучением.
2. Возникают гравитационные волны, подробности которых легче подсчитать, из-за чего их можно различить, но нельзя было обнаружить, пока LIGO и VIRGO не начали сбор данных: LIGO за последние несколько лет, а VIRGO за последние несколько месяцев.

И мы, наконец, узнали, что это произошло. LIGO с первыми двумя гравитационными обсерваториями, обнаружил волны от двух сливающихся НЗ, расположенных в 130 млн световых годах от Земли, 17 августа 2017 года. (Слияние НЗ длится гораздо дольше, чем слияние ЧД, поэтому их легко отличить; а конкретно это слияние происходило так (относительно) близко, что его можно было наблюдать достаточно долго). VIRGO, с третьим детектором, позволил учёным провести триангуляцию и грубо определить местоположение слияния. Они получили очень слабый сигнал, но он оказался чрезвычайно важным, поскольку он сообщил учёным, что слияние произошло в небольшом регионе неба, в котором у VIRGO наблюдается слепое пятно. А это дало учёным понять, где нужно искать.

Слияние наблюдали более минуты – можно сравнить с ЧД, слияние которых происходит менее, чем за секунду. Но пока ещё не совсем понятно, что произошло в конце! Сформировали ли слившиеся НЗ другую НЗ или ЧД? Пока неясно.

Почти ровно в тот момент, когда гравитационные волны достигли максимума, другая команда учёных, с проекта FERMI, зафиксировала вспышку гамма-лучей – электромагнитных волн высокой частоты. FERMI наблюдает гамма-излучение, приходящее из дальних концов Вселенной, ежедневно, и двухсекундная гамма-вспышка не была чем-то необычным. Её обнаружил и ещё один эксперимент с гамма-лучами, INTEGRAL. Команды обменялись информацией за несколько минут. Детекторы гамма-лучей FERMI и INTEGRAL могут довольно грубо определять участок неба, откуда приходят эти гамма-лучи, а LIGO/VIRGO вместе тоже дают только приблизительный участок. Но учёные увидели перекрытие этих участков, и доказательства были неопровержимыми. Вот так астрономия вошла в новую, долгожданную фазу.

Только это само по себе уже было довольно крупным открытием. Краткие вспышки гамма-лучей годами занимали учёных. Одной из наилучших догадок об их происхождении было предположение о слиянии НЗ. Теперь загадка раскрыта – это предположение, очевидно, оправдалось. (А вдруг нет? Обнаруженные гамма-лучи оказались неожиданно слабыми, поэтому вопросы всё ещё остаются).

Также тот факт, что эти сигналы пришли с разрывом в пару секунд друг от друга, после того, как они, выйдя из одного и того же источника, проделали путь, занявший у них более 100 млн лет, подтверждает, что скорость света и скорость гравитационных волн одинакова – и обе они равны космическому пределу скорости, в точном соответствии с предсказаниями теории гравитации Эйнштейна.

Затем эти команды быстро сообщили своим друзьям-астрономам о необходимости направить их телескопы в область, где должен находиться источник. Десятки телескопов, со всех континентов и из космоса, искали электромагнитные волны с большим разбросом частот, будучи направленными примерно в нужном направлении, и сканировали небо в поисках чего-то необычного. (Одной из проблем было то, что нужный объект находился в небе близко к Солнцу, поэтому его можно было увидеть только в темноте и всего по часу каждую ночь). И был обнаружен свет! На всех частотах! Объект оказался очень ярким, благодаря чему было очень легко найти галактику, в которой произошло слияние. Яркий свет был виден в гамма-лучах, ультрафиолете, инфракрасном свете, рентгеновском диапазоне и радиодиапазоне. (В этот раз нейтрино, частицы, которые можно использовать как ещё один способ наблюдения за удалёнными взрывами, обнаружены не были).

И с таким количеством информации можно узнать столько всего!

Самое важное, наверное, вот что: из закономерностей, присутствующих в спектре света, следует подтверждение гипотезы, что слияния нейтронных звёзд являются важными, возможно, преобладающими источниками появления многих тяжёлых химических элементов – йода, иридия, цезия, золота, платины и так далее – возникающих при высоких температурах в таких столкновениях. Наиболее вероятным их источником считались те же самые сверхновые, что формируют НЗ. Но теперь, судя по всему, оказалось, что второй этап жизни НЗ – слияние, а не рождение – настолько же важен. Это потрясающе, потому что слияние НЗ происходят гораздо реже, чем взрывы сверхновых. В нашей Галактике Млечный путь сверхновая вспыхивает примерно раз в сто лет, но между появлением в слияниях НЗ таких «килоновых» проходят десятки тысячелетий.

Если что-то в этой новости и разочаровывает, так это следующее: почти всё, что наблюдалось в этих экспериментах, было предсказано заранее. Иногда важнее и полезнее, если ваши предсказания совершенно не оправдываются, потому что тогда ты понимаешь, сколько тебе ещё предстоит узнать. Очевидно, наше понимание гравитации, НЗ, их слияний, всяких типов источников электромагнитного излучения, возникающих в этих слияниях, оказывается гораздо лучше, чем можно было подумать. Но, к счастью, есть и несколько новых загадок. Рентгеновские лучи запоздали; гамма-лучи были слабыми – вскоре мы узнаем об этом подробнее, поскольку НАСА должно провести новую конференцию.