Впервые зарегистрированы гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд

Учёные МГУ в коллаборации LIGO и Virgo впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Это первое космическое событие, наблюдаемое как в гравитационных, так и в электромагнитных волнах. Результаты регистрации гравитационных волн детекторами LIGO-Virgo опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Спустя 2 недели после присуждения Нобелевской премий по физике за открытие гравитационных волн троим исследователям из США, коллаборации LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, США) и Virgo (аналогичная обсерватория в Италии) объявляют о новом открытии. Учёные впервые зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд, причём это явление наблюдали не только на лазерных интерферометрах, регистрирующих гравитационные волны, но и с помощью космических обсерваторий (Интеграл, Fermi) и наземных телескопов, регистрирующих электромагнитное излучение. В сумме это явление наблюдали около 70 наземных и космических обсерваторий по всему миру, в числе которых и сеть роботов-телескопов МАСТЕР (МГУ имени М.В.Ломоносова). 

Группу из МГУ имени М.В.Ломоносова возглавляет профессор физического факультета МГУ, доктор физико-математических наук Валерий Митрофанов, под руководством которого ведут работу профессора Сергей Вятчанин и Фарит Халили, доцент Сергей Стрыгин и другие учёные.

«Первая прямая регистрация гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр обсерваторией LIGO состоялась около двух лет тому назад. Было открыто новое окно во Вселенную. Уже сегодня мы видим, какие беспрецедентные возможности создает для исследователей этот новый канал получения информации в сочетании с традиционной астрономией» — отметил Валерий Митрофанов.

17 августа 2017 года оба детектора LIGO зарегистрировали гравитационный сигнал, названный GW170817. Информация, предоставленная третьим детектором Virgo, позволила значительно улучшить локализацию космического события. Почти в то же время (примерно через две секунды после гравитационных волн) Космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» и Международная орбитальная обсерватория гамма-лучей (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL) обнаружили всплески гамма-лучей. В последующие дни было зарегистрировано электромагнитное излучение и в других диапазонах, включая рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радиоволны.

Каждая обсерватория состоит из двух туннелей: длиной 4 км (LIGO) и 3 км (Virgo), расположенных в виде буквы Г. В них находятся трубы, внутри которых поддерживается высокий вакуум. Излучение лазера накачки разделяется светоделителем на два взаимно перпендикулярных луча, которые распространяются в трубах, отражаются от зеркал интерферометра, возвращаются, снова отражаются, и так много раз. При прохождении гравитационной волны изменяется расстояние между зеркалами, что приводит к изменению выходного сигнала интерферометра.

В целом детектор — чрезвычайно сложное устройство, в котором использованы уникальные компоненты, созданные специально для него в различных лабораториях мира. Настройку положения зеркал и других оптических элементов обеспечивают более 5000 следящих систем, а для обработки поступающей информации (порядка 1 терабайта в сутки) задействованы многопроцессорные кластеры.

Сигналы детекторов LIGO показали, что зарегистрированные гравитационные волны излучались двумя астрофизическими объектами, вращающимися друг относительно друга и расположенными на относительно близком расстоянии — около 130 миллионов световых лет от Земли. Оказалось, что объекты были менее массивными, чем ранее обнаруженные LIGO и Virgo двойные черные дыры. Согласно вычислениям, их массы находились в диапазоне от 1,1 до 1,6 массы Солнца, что попадает в область масс нейтронных звёзд, самых маленьких и самых плотных среди звёзд. Их типичный радиус составляет всего 10-20 километров.

Если сигнал от сливающихся двойных черных дыр обычно находился в диапазоне чувствительности детекторов LIGO в течение долей секунды, то сигнал, зарегистрированный 17 августа, длился около 100 секунд. Спустя примерно две секунды после слияния звёзд произошла вспышка гамма-излучения, которая была зарегистрирована космическими гамма-телескопами. Быстрое обнаружение гравитационных волн командой LIGO-Virgo в сочетании с обнаружением гамма-излучения позволило запустить наблюдение оптическими и радиотелескопами по всему миру.

Получив координаты, обсерватории уже через несколько часов смогли начать поиск в области неба, где предположительно произошло событие. Новая светлая точка, напоминающая новую звезду, была обнаружена оптическими телескопами. В конечном итоге около 70 обсерваторий на Земле и в космосе наблюдали это событие в различных диапазонах длин волн. В последующие дни после столкновения было зарегистрировано электромагнитное излучение в рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом, инфракрасном и радиоволновом диапазонах.

«Сочетание одновременного детектирования гравитационных и электромагнитных волн при помощи гравитационно-волновых детекторов и традиционных телескопов позволяет в будущем исследовать удивительный и манящий мир нашей Вселенной», — прокомментировал Сергей Стрыгин.

«Впервые, в отличие от "одиноких" слияний черных дыр, зарегистрировано "компанейское" событие не только гравитационными детекторами, но еще и оптическими и нейтринными телескопами. Это первый такой хоровод наблюдений вокруг одного события», — рассказал Сергей Вятчанин.

Теоретики предсказывают, что при столкновении нейтронных звезд должны излучаться гравитационные волны и гамма-лучи, а также извергаться мощные струи вещества, сопровождающиеся излучением электромагнитных волн в широком частотном диапазоне.

Обнаруженный гамма-всплеск является так называемым коротким гамма-всплеском. Ранее учёные лишь предсказывали, что короткие гамма-всплески генерируются при слиянии нейтронных звезд, а теперь это подтверждено наблюдениями. Но несмотря на то, что источник обнаруженного короткого гамма-всплеска был одним из самых близких к Земле, видимых до сих пор, сам всплеск был неожиданно слаб для такого расстояния. Теперь ученым предстоит найти объяснение этому факту.

В момент столкновения основная часть двух нейтронных звезд слилась в один ультраплотный объект, испускающий гамма-лучи. Первые измерения гамма-излучения в сочетании с детектированием гравитационных волн подтверждают предсказание общей теории относительности Эйнштейна, а именно, что гравитационные волны распространяются со скоростью света.

«Во всех предыдущих случаях источником гравитационных волн были сливающиеся черные дыры. Как это ни парадоксально, черные дыры — это очень простые объекты, состоящие исключительно из искривленного пространства и поэтому полностью описывающиеся хорошо известными законами общей теории относительности. В то же время, структура нейтронных звезд и, в частности, уравнение состояния нейтронной материи до сих пор точно неизвестны. Поэтому изучение сигналов от сливающихся нейтронных звезд позволит получить огромное количество новой информации также и о свойствах сверхплотной материи в экстремальных условиях», — рассказал Фарит Халили.

Теоретики предсказали, что в результате слияния образуется «килоновая». Это явление, при котором оставшийся от столкновения нейтронных звезд материал ярко светится и выбрасывается из области столкновения далеко в космос. При этом возникают процессы, в результате которых создаются тяжелые элементы, такие как свинец и золото. Наблюдение после свечения слияния нейтронных звезд позволяют получать дополнительную информацию о различных стадиях этого слияния, о взаимодействии образовавшегося объекта с окружающей средой и о процессах, которые производят самые тяжелые элементы во Вселенной.

«В процессе слияния зафиксировано образование тяжелых элементов. Поэтому можно говорить даже о галактической фабрике по производству тяжелых элементов, в том числе золота — ведь именно этот металл больше всего интересует землян. Ученые начинают предлагать модели, которые объяснили бы наблюдаемые параметры этого слияния», — отметил Вятчанин.

СПРАВКА:

Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом США. Она построена и эксплуатируется Калифорнийским и Массачусетским технологическими институтами. Финансовая поддержка проекта Advanced LIGO осуществляется Национальным научным фондом США вместе с Обществом Макса Планка Германии, Советом по науке и технологии Великобритании и Австралийским советом по исследованиям, которые вносят значительный вклад в проект.

Более 1200 ученых из 100 институтов различных стран участвуют в проекте, объединившись в Научную коллаборацию LIGO — LSC (LIGO Scientific Collaboration), которая включает в себя коллаборации GEO и OzGrav (http://ligo.org/partners.php). Партнером LIGO является коллаборация Virgo, в которой работают 280 европейских ученых и инженеров из 20 исследовательских групп, которых поддерживают Национальные центры научных исследований Франции, Италии, Нидерландов, а также ряд институтов из Венгрии, Польши, Испании, входящие в Virgo и Европейскую гравитационную обсерваторию. Детектор Virgo находится недалеко от Пизы (Италия).

В исследованиях LIGO Scientific Collaboration принимают участие два научных коллектива из России: группа физического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова и группа Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Исследования поддерживаются Российским фондом фундаментальных исследований и Российским научным фондом.

Ученые МГУ имени М.В.Ломоносова участвуют в проекте с 1992 года. Её создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли свое воплощение при создании детекторов, позволивших непосредственно регистрировать гравитационные волны от космических источников.

Орбитальная обсерватория гамма-лучей «Интеграл» — проект Европейского космического агентства с участием России и НАСА. «Интеграл» был выведен в космос ровно 15 лет назад (17 октября 2002 г.) с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя «Протон». В обмен на запуск российские ученые получили право на 25% наблюдательного времени обсерватории и с её помощью получили целый ряд важнейших научных открытий и результатов. Научный руководитель проекта «Интеграл» со стороны России — выпускник МГУ, главный научный сотрудник ИКИ РАН академик Рашид Сюняев.

Фото: Слияние нейтронных звезд. Источник: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A.Simonnet