Около 870 миллионов лет назад две мертвые звезды стали одной. Их слияние сотрясло ткань космоса гравитационной волной, которая пронеслась сквозь Землю в прошлую среду и прошла через три пары тщательно откалиброванных лазеров, предназначенных для обнаружения их прохождения. Автоматизированная система отправила предварительное оповещение через 21 секунду, вибрируя смартфоны и пингуя ноутбуки по всему миру.
Спустя три года после обнаружения первой гравитационной волны, получившей Нобелевскую премию, которая произошла от пары сталкивающихся черных дыр, такие предупреждения стали обычным явлением. На этот раз, однако, астрофизики сразу поняли, что наблюдаемое событие было особенным. «У меня отвисла челюсть, когда я увидел данные», - говорит Джеффри Ловелас из Калифорнийского государственного университета, Фуллертон (CSUF), член Научного сотрудничества по лазерной интерферометре и гравитационно-волновой обсерватории (LIGO).
Волна была обнаружена LIGO в США и обсерваторией Девы в Италии в 21:11:18 UTC 14 августа., Автоматический первый проход зафиксировал его как результат беспрецедентного слияния пары тел, слишком легких для классификации, что заставило астрономов искать дополнительные электромагнитные излучения от события. Последующий анализ классифицировал сигнал как столкновение между черной дырой и нейтронной звездой, звездным остатком, в котором гравитация сжимает всю массу Солнца в шар размером с город. Это будет первое такое событие, обнаруженное с уверенностью, и - после черной дыры - затирания и слияния черной дыры между двумя нейтронными звездами - третье явление столкновения, обнаруженное гравитационными волнами. Если текущий анализ остается в силе, это событие, получившее название S190814bv, ознаменует начало новой эры астрофизических исследований, с последствиями для того, как исследователи понимают общую теорию относительности Эйнштейна.
СИГНАЛ «ВНЕ ГРАФИКА»
Чед Ханна , сотрудник LIGO и астрофизик из Университета штата Пенсильвания, отмечал годовщину своей свадьбы с женой, когда у него отключился телефон. Его группа специализируется на быстрой классификации событий LIGO, поэтому он немедленно вошел в систему, чтобы проверить детали волны. «Первое, что я знала, было то, что это было чрезвычайно важно, - говорит Ханна, - что-то необычное громкое».
Алгоритмический конвейер коллаборации LIGO-Virgo выделяет базовую классификацию, основанную на форме волны, ее продолжительности и других факторах, практически мгновенно - команда Ханны стремится к менее чем 20 секундам - так астрономы могут сразу повернуть свои телескопы в небесном направлении, в котором пришла волна от.
В среду автоматическая система уверенно объявила, что по крайней мере один из объектов, которые произвели S190814bv, упал в «разрыв массы», пустошь, охватывающую три-пять солнечных масс, по-видимому, лишенную черных дыр и нейтронных звезд. Все известные черные дыры весят более пяти солнц, в то время как все известные нейтронные звезды, рожденные от более легких звезд, которые перестали становиться черными дырами, весят менее трех солнц. Обнаружение разрыва масс было бы первым для LIGO-Virgo, которое обострило бы теоретическую линию, отделяющую самые тяжелые нейтронные звезды от самых легких черных дыр, - но предварительная метка не продлится долго. «По всему миру произошла передача», - говорит Джоселин Рид.астрофизик из CSUF и член LIGO, начиная с исследователей в США во второй половине дня 14 августа и продолжая вычисления в Европе до следующего утра.
Американские ученые проснулись в четверг по новой классификации. Человеческий анализ определил событие как слияние нейтронной звезды и черной дыры с достоверностью более 99 процентов. ЛИГО-Дева слышала столкновения более дюжины пар чёрных дыр, а также двух пар нейтронных звезд, но никогда не слышала окончательно грохота чёрной дыры, поглощающей нейтронную звезду.
«Это то, чего я ждал долгое время», - говорит Джеймс Латтимер , профессор астрономии в университете Стони Брук и новаторский ядерный астрофизик, который показал, что слияния нейтронных звезд и черных дыр могут распылять тяжелые элементы, такие как золото и уран в космос в своей диссертации 1976 года.
Исследователи обнаружили аналогичную волну в апреле , но не смогли подтвердить, что она пришла из дальнего космоса - сигнал, связанный с этим потенциальным событием, предполагают модели, имел один из семи шансов быть ложной тревогой, создаваемой наземными источниками, Это означает, что ложное обнаружение будет происходить примерно раз в 20 месяцев. Сигнал прошлой недели, однако, настолько ясен, что ложная тревога была бы событием раз в триллионы лет. «Когда это больше, чем возраст вселенной, - говорит Лавлейс, - вы знаете, что это реальная сделка».
Оглушительный сигнал S190814bv, однако, не гарантирует, что астрофизики определенно поместили в мешки свое первое столкновение нейтронной звезды с черной дырой. Хотя текущая метка явно помещает более тяжелый объект на территорию черной дыры (более пяти солнц), он оставляет более легкого партнера в темной зоне ниже трех солнечных масс. Если дальнейший анализ размещает этого партнера между одной и двумя солнечными массами, это должна быть нейтронная звезда. Но измерение ближе к трем солнцам может нарушиться в любом случае - в направлении самой тяжелой известной нейтронной звезды во вселенной или ее самой легкой известной черной дыры.
Будущие оценки массы дадут более ясную картину, но сначала LIGO-Virgo придется проверить волну по сравнению с нашими лучшими моделями, которые слишком сложны, чтобы работать за одну ночь. Теоретические инструменты становятся шаткими, поскольку массы отклоняются от двух равномерно сбалансированных партнеров, поэтому исследователи предупреждают, что они должны легко наступить на эту неизведанную территорию. «Мы все еще анализируем и проверяем вещи», - говорит Лавлейс. «Но это самый многообещающий случай, как этот, который до сих пор рассматривается».
В ПОИСКАХ СВЕТА
Детектор Девы в Италии - вместе с одним из двух детекторов LIGO - первоначально распознал волну, но совместная работа смогла вручную включить данные со второго детектора LIGO за ночь. Триангуляция из этого третьего обнаружения позволила исследователям определить местоположение источника на небе более точно, чем любая предыдущая волна, так скоро после обнаружения. «Я открыла [новую] карту неба, и я подумала:« О, они случайно обновили пустую карту неба », - вспоминает Рид, думая, прежде чем она заметила крошечную точку, отмечающую происхождение волны.
Суженное местоположение, которое составляло 0,06 процента от общей площади неба, стало благом для астрономических групп, охотящихся за вспышкой гамма-излучения или видимого света, который может сопровождать смерть нейтронной звезды. «В принципе, это всего лишь несколько минут, чтобы охватить эту область», - говорит Марсель Соарес-Сантос , космолог из Университета Брандейс, который координировал последующие наблюдения с использованием камеры темной энергии на четырехметровом телескопе в Чили.
Черная дыра, возможно, разорвала нейтронную звезду, оставив позади кольцо сверкающих обломков, которое исчезло, когда оно упало в ждущую дыру дыру. В качестве альтернативы, черная дыра могла бы поглотить нейтронную звезду одним чистым глотком, чтобы было мало что увидеть. Моделирование LIGO-Virgo для S190814bv предсказывает последний сценарий, но никто точно не знает, что на самом деле произошло. Для первого наблюдения, даже видение ничего не может быть информативным. «Мы идем с открытым сердцем», - говорит Соареш-Сантос. «Если нет электромагнитного аналога, мы сможем установить с достаточной значимостью, что это окажет большое влияние на теории».
ЗОНДИРОВАНИЕ НЕЙТРОНИЯ
И теории нейтронных звезд предостаточно. Ядерные физики ищут проблеск внутри объектов, где материя существует с плотностями, которые бросают вызов нынешним лучшим моделям. Например, если давление растворяет нейтроны в плазме элементарных частиц, нейтронные звезды определенной массы должны казаться меньше, чем они были бы в противном случае. Тонкие особенности обнаруженной гравитационной волны, возникающей при закручивании звезды в черную дыру, могут показать размер звезды и, соответственно, консистенцию вещества, которое ее заполняет. Точно так же, видят ли астрономы вспышку или нет, также устанавливаются ограничения на размер звезды. Такие точные измерения размеров нейтронной звезды являются «своего рода святым Граалем ядерной физики», говорит Бен Маргалит научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, который не является участником сотрудничества, наблюдавшего за этим событием.
Черная дыра, уничтожающая нейтронную звезду, также представляет новую арену для проверки общей теории относительности. Ловелас говорит, что применить теорию гравитации Эйнштейна к гладкой ткани пространства-времени вокруг черных дыр достаточно сложно. Добавление в горячую, турбулентную намагниченную материю нейтронной звезды - экзотическое вещество, иногда называемое «нейтроний» - поднимает проблему на новый грязный уровень.
Даже если колебания среды в пространстве-времени не раскрывают ни одной из тайн природы, исследователи уверены, что это только первый случай из многих. «Надеюсь, это что-то говорит нам о черной дыре - нейтронной звезде [слиянии]», - говорит Лавлейс. «Но если нет, то я все еще очень оптимистично отношусь к тому, что гравитационное небо яркое».
