Вчера, я узнал откуда берется золото.
Конечно, я и раньше читал Джека Лондона про покорителей Клондайка. Да и дед мой как-то находил самородок.
Но, речь не о том. Для всех, кто увлекается астрономией, вчерашний день по настоящему знаковый.
В понедельник гравитационно-волновые обсерватории LIGO, Virgo и целый ряд других международных научных групп сообщили о чрезвычайно важном для современной астрономии открытии.
Более 70 обсерваторий, работающих во всех диапазонах электромагнитного спектра, а также все три действующие гравитационно-волновые обсерватории впервые зафиксировали во всех подробностях слияние двух нейтронных звезд.
Что такое нейтронные звезды?
Когда заканчивается жизненный путь гиганских звезд массой в 10-20 больше массы Солнца, нарушается равновесие между гравитацией ядра, притягивающей внешнюю оболочку звезды, и давлением электронов, препятствующим сжатию. Звезда начинает сжиматься — коллапсировать. Плотность и температура вещества в ядре резко увеличиваются, начинается захват электронов протонами и образование нейтронов (с выбросом нейтрино). Через некоторое время ядро уже практически полностью состоит из нейтронов.
Выбросы энергии от протон-электронных слияний разрывают оболочку звезды и уносят ее материал — происходит взрыв сверхновой. Все, что остается в результате — плотное нейтронное ядро с тонкой оболочкой. Плотность нейтронной звезды огромна — она определяется лишь давлением вырожденных нейтронов и достигает 4–6×10 в 17й степени килограмм на кубический метр. Одна капля нейтронной материи весит больше десяти миллионов тонн.
Что такое гравитационно-волновые обсерватории?
Еще в 1916 году Эйнштейна предсказал, что движущиеся массы излучают гравитационные волны, которые могут быть описаны как «рябь пространства-времени».
Но эта рябь столь незначительна, что обнаружить её очень сложно. Для детектирования гравитационных волн были построены гравитационно-волновые обсерватории. Что-то вроде андронного коллайдера.
Огромные трубы с кучей оборудования работающего в ваккууме. Длина плеча 3 км.
Первые результаты были получены в 2015 году. Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой в максимуме около 10−21 был зарегистрирован 14 сентября 2015 года двумя детекторами в Хэнфорде и Ливингстоне через 7 миллисекунд друг от друга. Сигнал был обозначен GW150914. Форма сигнала совпадает с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных; возникшая чёрная дыра должна иметь массу 62 солнечных. Расстояние до источника около 1,3 миллиарда световых лет, излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия — эквивалент около 3 солнечных масс.
За экспериментальное обнаружение гравитационных волн в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
И вот 17 августа 2017 года, в 15:41:04 по московскому времени детектор обсерватории LIGO в Хенфорде услышал рекордно длинную гравитационную волну — сигнал продолжался около ста секунд. Это очень большой промежуток времени — для сравнения, предыдущие четыре фиксации гравитационных волн длились не дольше трех секунд. На 1,7 секунды позже детектора в Хенфорде, независимо от него, сработала автоматическая система телескопов «Ферми» и «Интеграл» — космических гамма-обсерваторий, наблюдающих одни из самых высокоэнергетических событий во Вселенной. Приборы обнаружили яркую вспышку и примерно определили ее координаты.
Примерно через час LIGO разослал сведения о возможных координатах источника гравитационных волн — установить эту область удалось благодаря тому, что сигнал заметил и детектор Virgo. По задержкам, с которыми детекторы начали получать сигнал, стало ясно, что, вероятнее всего, источник находится в южном полушарии: сперва сигнал достиг Virgo и лишь затем, спустя 22 миллисекунды, был зафиксирован обсерваторией LIGO. Изначальная область, рекомендуемая для поиска, достигала 28 квадратных градусов, что эквивалентно сотням площадей Луны.
Следующим этапом было объединение данных гамма- и гравитационных обсерваторий воедино и поиск точного источника излучения. Так как ни гамма-телескопы, ни тем более гравитационные не позволяли найти требуемую точку с большой точностью, физики инициировали сразу несколько оптических поисков. Один из них — с помощью роботизированной системы телескопов «МАСТЕР», разработанной в ГАИШ МГУ.
Обнаружить среди тысяч возможных кандидатов нужную вспышку удалось чилийскому метровому телескопу Swope — почти через 11 часов после гравитационных волн. Астрономы зафиксировали новую светящуюся точку в галактике NGC 4993 в созвездии Гидры, ее яркость не превышала 17 звездной величины. Такой объект вполне доступен для наблюдения в полупрофессиональные телескопы
В течение примерно часа после этого, независимо от Swope, источник нашли еще четыре обсерватории, в том числе аргентинский телескоп сети «МАСТЕР». После этого началась масштабная наблюдательная кампания, к которой присоединились телескопы Южной европейской обсерватории, «Хаббл», «Чандра», массив радиотелескопов VLA и множество других приборов — в сумме более 70 групп ученых наблюдали за развитием событий. Через девять дней астрономам удалось получить изображение в рентгеновском диапазоне, а через 16 дней — в радиочастотном.
Такая характерная картина взрыва во многих электромагнитных диапазонах была предсказана и описана уже давно. Она соответствует столкновению двух нейтронных звезд. По словам ученых, масса нейтронных звезд составляла 1,1 и 1,6 массы Солнца. Первые гравитационные волны возникли, когда расстояние между объектами составляло 300 километров. Большой неожиданностью стало небольшое расстояние от этой системы до Земли — около 130 миллионов световых лет. Для сравнения, это всего в 50 раз дальше, чем от Земли до Туманности Андромеды, и почти на порядок меньше, чем расстояние от нашей планеты до черных дыр, столкновение которых фиксировали ранее LIGO и Virgo. Кроме того, столкновение стало самым близким к Земле источником короткого гамма-всплеска.
Так откуда же взялось золото? Слияние ядер в звездах позволяет получить огромный спектр химических элементов. Для легких ядер реакции слияния протекают с выделением энергии и в целом энергетически выгодны. Для элементов, чья масса близка к массе железа, энергетический выигрыш оказывается уже не настолько большим. Из-за этого в звездах почти не образуются элементы тяжелее железа — исключением являются взрывы сверхновых. Но их совершенно недостаточно, чтобы объяснить распространенность золота, лантанидов, урана и других тяжелых элементов во Вселенной. В 1989 году физики предположили, что за это может отвечать r-нуклеосинтез в слияниях нейтронных звезд. До сегодняшнего дня этот процесс был известен лишь в теории. Спектральные исследования нового события показали отчетливые следы рождения тяжелых элементов. Так, благодаря спектрометрам Очень большого телескопа (VLT) и «Хаббла» астрономы обнаружили присутствие цезия, теллура, золота и платины. Также есть свидетельства образования ксенона, иода и сурьмы. По оценкам физиков, в результате столкновения была выброшена общая масса легких и тяжелых элементов, эквивалентная 40 массам Юпитера. Одного лишь золота, согласно теоретическим моделям, образуется около 10 масс Луны
Полный спектр собранных данных уже позволяет ученым называть событие краеугольным камнем будущей гравитационно-волновой астрономии. По результатам обработки данных за два месяца было написано около 30 статей в крупных журналах. Соавторами одной из этих статей являются 4600 астрономов из различных коллабораций — это больше трети всех астрономов мира. Валерий Митрофанов, профессор физического факультета МГУ по этому поводу сказал: "В будущем мы ждем регистрации гравитационных волн и от других источников. Во-первых, это непрерывные источники излучения, во-вторых, это стохастические волны, и самое интересное — это гравитационное реликтовое излучение. Но для этого надо значительно повысить чувствительность детекторов. Кроме того, интересен поиск новых неизвестных источников».