Все кругом твердят про гравитационные волны и слияние нейтронных звезд: что это такое?
Что такое гравитационные волны?
Как мы уже писали, гравитационные волны — это рябь пространства-времени, возникающая когда два сверхплотных тела начинают ускоряться друг рядом с другом. Представим себе натянутое полотно, на которое бросили один стальной шарик — он он слегка продавит полотно. Если мы положим рядом второй шарик, он тоже продавит полотно. А вот если мы начнем быстро двигать шарики по спирали все ближе друг к другу, то «продавленные» места начнут накладываться друг на друга и ткань пойдет волнами. Нечто похожее происходит и в космосе.
Волны резко слабеют по мере удаления от источника. Из этого следует, что их вообще очень тяжело засечь. Взаимное ускорение двух сверхмассивных тел бывает только перед слиянием. А черные дыры сливаются довольно редко. Нейтронные звезды — другой кандидат для слияний и поглощений — могут делать это чаще, но они в десятки раз легче. То есть «увидеть» такое событие реально лишь на гораздо меньших дистанциях, чем для черных дыр.
Все кругом твердят про гравитационные волны и слияние нейтронных звезд
Нейтронные звезды — космические фабрики золота и урана
При этом наблюдение слияний таких звезд чрезвычайно важно. Астрофизики уже давно подсчитали: без такого процесса картина окружающей нас Вселенной «не складывается». Возьмем нашу планету или Солнечную систему — у нас сравнительно много золота, платины, иридия и урана. Это хорошо для ювелиров и атомщиков, но совершенно противоречит всем расчетам того, как должны образовываться такие тяжелые элементы. Звезды типа Солнца почти не «производят» ничего тяжелее углерода — их масса слишком мала, давление в центре тоже относительно низкое, и слияние ядер таких атомов в центре нашего светила не идет.
Есть еще сверхновые. Это массивные звезды, взрывающиеся в конце жизненного пути. Но и они не должны давать много тяжелых элементов. Чтобы получить много урана или золота, надо чтобы в ядро более легкого атома «залетело» побольше свободных нейтронов — причем очень быстро, потому что иначе ядро распадется до того, как наберет нужное число нейтронов, с которым может долго существовать. А процесс набора нейтронов во вспышках сверхновых (s-процесс), как назло, слишком медленный.
Поэтому была предложена гипотеза так называемых r-процессов, или быстрого набора нейтронов ядрами атомов. Проблема в том, что для него надо, чтобы вокруг атомов было много свободных нейтронов. Лучший кандидат для этого — нейтронная звезда. Диаметр у нее обычно меньше протяженности среднего российского города, зато масса больше, чем у Солнца. Поэтому там чудовищная плотность вещества, а гравитационное поле в 200 миллиардов раз сильнее земного и в семь миллиардов раз сильнее, чем на поверхности Солнца.
Черные дыры сливаются довольно редко
От такой гравитации атомы «плющат» друг друга, и из них «вылетает» часть нейтронов. Если две нейтронные звезды столкнутся, то атомные ядра начнут активно перемешиваться с нейтронами при огромном давлении и температуре. И это именно то, что надо для образования золота, платины, урана и прочего цезия. Считается, что именно так возникла примерно половина всех элементов тяжелее железа, что нас окружает. Да-да, обручальное кольцо у вас на пальце несет вещество от слияния пары нейтронных звёзд!
Гравитационные волны как наводчик. Телескоп как золотоискатель
Это была отличная гипотеза, но у нее был недостаток — нейтронные звезды очень «темные». Когда у вас гравитация в 200 миллиардов мощнее земной, фотоны с трудом покидают поверхность. Они практически потухшие, излучение у них в видимом диапазоне не очень сильное. Нейтронные звезды трудно увидеть уже с сотен световых лет. А слияния случаются не так часто, и большинство довольно далеко. До регистрации первых гравитационных волн в позапрошлом году найти следы такого события было очень тяжело.
17 августа 2020 года астрономы зарегистрировали колебания пространства-времени, длившиеся 100 секунд. Они сразу заподозрили, что оно произошло при сближении и слиянии двух нейтронных звезд. Впервые появилась возможность доказать старые гипотезы!
Впрочем, гравиволны — это еще не все. Да, волна GW170817, зафиксированная американским детектором LIGO (построенным, кстати, по схеме, предложенной в СССР еще в 1950-х годах) показала, что в этот раз сливались тела в 1,1-1,6 масс Солнца. Что слишком мало для черных дыр. Но зато как раз тот диапазон масс, что могут иметь нейтронные звезды. Однако, как понять, образовались ли там золото, уран и прочие элементы с неясным происхождением?
Для этого были использованы телескопы и спектрометры более чем 70 обсерваторий по всему миру. Они увидели как гамма-излучение от распада тяжелых радиоактивных элементов, так и спектральные следы цезия, теллура, платины, золота, и других элементов. Что еще важнее, они увидели вспышку килоновой. Так называют вспышку в «тысячу новых» звезд, которая, при этом, слабее сверхновой. До сих пор их удавалось видеть только в телескопы. И хотя были предположения, что это и есть слияние двух нейтронных звезд, до регистрации гравиволны GW170817 проверить это было никак нельзя.
Нужно больше золота, милорд
Наблюдения следов тяжелых металлов — это хорошо. Но куда лучше было бы сделать их побольше, не ограничиваться нынешним открытием. Здорово, что теперь у человечества есть LIGO и возможность дальше искать килоновы с помощью гравитационных волн.
Дело в том, что пока мы не поймем частоту таких слияний, будет неясно, насколько большая доля тяжелых элементов возникла именно в нейтронных звездах. Кроме того, слияние — опаснейшее событие. Когда один гиперплотный объект диаметром с Пермь падает на другой, образование тяжелых элементов сопровождается мощнейшей гамма-вспышкой. Астрономы уже давно ставят вопрос о том, что такое событие своим гамма-излучением может стерилизовать Землю. По крайней мере, если оно случится очень близко и наша планета будет «в фокусе» вспышки. Некоторые исследователи считают, что так уже случалось, отчего на планете были массовые вымирания. Чтобы понять, насколько серьезна угроза, и нужно ли с ней бороться, неплохо бы сначала узнать, как часто вспыхивают такие убийственные «фабрики золота».
Обо всем важном и интересном в мире науки мы также рассказываем в наших каналах в Telegram и Яндекс.Дзен.
Что такое нейтронная звезда?
Нейтронные звезды, как и черные дыры, – это остатки звезд, погибших при катастрофических взрывах, известных как сверхновые. Когда звезда становится сверхновой, ее материал разрушается. И образуется плотное ядро. Если это ядро достаточно массивно, оно образует черную дыру. Которая обладает настолько мощным гравитационным полем, что даже свет не может покинуть ее пределы. Менее массивное ядро образует то, что мы называем нейтронная звезда. Она называется так потому, что ее гравитационное притяжение достаточно велико, чтобы слить протоны вместе с электронами для образования нейтронов.
Нейтронная звезда имеет обычно небольшие размеры. Стандартный диаметр подобного объекта около 10-20 километров. Но они настолько плотны, что масса, которую имеет нейтронная звезда, может быть примерно такой же, как у Солнца. Чайная ложка материала нейтронной звезды имеет массу около миллиарда тонн. Это делает нейтронные звезды самыми плотными, помимо черных дыр, объектами во Вселенной.
Определение радиуса по наблюдениям гравитационных волн
Ключевым фактором, способствующим новым открытиям, стало появление двух последних результатов в наблюдательной астрофизике: измерение гравитационных волн от слияния нейтронных звезд и обнаружение очень массивных нейтронных звезд с массами, близкими к двум солнечным массам.
Смотрите также
Астрофизика
Впервые астрономы наблюдали, как исчезает корона черной дыры
17.07.2020
Астрономия
Ученые обнаружили звезду, летящую через нашу Галактику
15.07.2020
Осенью 2020 года обсерватории LIGO и Virgo впервые обнаружили гравитационные волны, генерируемые двумя сливающимися нейтронными звездами.
Это наблюдение установило строгий верхний предел для величины, называемой приливной деформируемостью, которая измеряет восприимчивость структуры вращающейся звезды к гравитационному полю ее спутника.
Этот результат впоследствии был использован для получения верхнего предела радиусов сталкивающихся нейтронных звезд, который оказался равен примерно 13 км.
Хотя первое наблюдение нейтронной звезды относится к 1967 году, точные измерения массы этих звезд были возможны только в течение последних 20 лет или около того. Большинство звезд с точно известными массами попадают в окно между 1 и 1,7 солнечными массами, но в последнее десятилетие мы стали свидетелями обнаружения трех звезд, либо достигающих, либо, возможно, даже немного превышающих предел двух солнечных масс.
Ученые впервые в истории увидели слияние двух нейтронных звезд. Почему это важно
Ученые впервые в истории зафиксировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд. Об этом одновременно заявили астрофизики сразу из нескольких лабораторий мира, сообщает сайт N+1.
Нейтронные звезды представляют собой сверхплотные объекты массой с Солнце, а по размерам напоминающие Москву. Возникшие от их слияния гамма-всплеск и вспышка килоновой наблюдали 70 наземных и космических обсерваторий. По данным пресс-службы LIGO/Virgo, они смогли увидеть процесс синтеза тяжелых элементов, в том числе золота и платины, и подтвердить правоту гипотез о природе загадочных коротких гамма-всплесков. Ученые уверены, что результаты этих наблюдений способны пролить свет на загадку строения нейтронных звезд и образование тяжелых элементов во Вселенной.
Историческое событие произошло утром 17 августа. Автоматические системы на одном из двух детекторов гравитационно-волновой обсерватории LIGO зарегистрировали приход гравитационной волны из космоса, а через пару секунд космический телескоп Fermi зафиксировал вспышку гамма-излучения на южном небе. В этот же момент вспышку увидела европейско-российская космическая обсерватория INTEGRAL. В итоге ученые пришли к выводу, что источник вспышки находился в галактике NGC 4993 на расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли. Сам всплеск звучал 100 секунд, что считается долгим сроком.
Благодаря зафиксированному явлению ученые смогли подтвердить гипотезу о том, что источниками коротких всплесков являются слияния нейтронных звезд. Кроме того, они впервые получили однозначное подтверждение существования килоновых вспышек, которые в 1000 раз превосходят по мощности вспышки обычных новых.
Как сообщает N+1, при этом запускается процесс синтеза тяжелых элементов, основанный на захвате ядрами нейтронов, в результате которого во Вселенной появились многие из тяжелых элементов, таких как золото, платина или уран. Ученые подсчитали, что при взрыве килоновой может возникнуть огромное количество золота — до десяти масс Луны. Теперь астрономам представился случай наблюдать продукты работы килоновой: спектры, полученные при помощи телескопов Hubble и VLT, показали наличие цезия, теллура, золота, платины и других тяжелых элементов, образованных при слиянии нейтронных звезд.
Сергей Вятчанин, профессор физического факультета МГУ:
— 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.
Стефано Ковино, первый автор одной из статей в Nature Astronomy:
— Пока данные, которые мы получили, великолепно согласуются с теорией. Это триумф теоретиков, подтверждение абсолютной реальности событий, зарегистрированных обсерваториями LIGO и VIrgo, и замечательное достижение ESO, которой удалось получить такие наблюдения килоновой.
Пока ученые не нашли ответ на вопрос, что осталось после слияния нейтронных звезд. Предположительно, это могут быть и черная дыра, и новая нейтронная звезда.
