17 Oct 2017

От LIGO, «Интеграла» и «Ферми» к сотням телескопов: астрономия в режиме «интернет-мессенджера»

Пресс-конференция, посвящённая первой регистрации слияния двух нейтронных звёзд, состоялась 16 октября в ИКИ РАН. Событие практически одновременно зарегистрировали детекторы гравитационно-волнового детектора LIGO, расположенные в США, и космические обсерватории «Интеграл» и «Ферми». После локализации участка неба, откуда мой прийти сигнал, в наблюдения включились другие телескопы, в космосе и на Земле. В итоге этих наблюдений в оптическом диапазоне был обнаружен новый объект, исследования которого продолжаются. О том, какое значение это открытие имеет для астрофизики, на пресс-конференции рассказали сотрудники ИКИ РАН Александр Лутовинов, профессор РАН, руководитель лаборатории релятивистских компактных объектов, и Алина Вольнова научный сотрудник сектора быстропеременных космических источников.

В пресс-конференции также приняли участие профессор Валерий Митрофанов и Сергей Вятчанин, заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, — участники научной коллаборации LIGO, и академик РАН Владислав Пустовойт, научный руководитель НТЦ уникального приборостроения РАН. В.И. Пустовойт и совместно с М.Е. Герценштейн в теоретической статье 1962 г. впервые предложили использовать лазерную интерферометрию для регистрации гравитационных волн.

Детекторы LIGO/Virgo впервые зарегистрировали гравитационно-волновой сигнал от слияния двух нейтронных звёзд. Это событие оказалось чрезвычайно важно для астрофизиков, поскольку источник всплеска гравитационного излучения удалось отождествить с более привычными нам гамма- и оптическим излучением электромагнитного спектра. Говоря просто, источник гравитационных колебаний «увидели» оптические, рентгеновские и гамма-телескопы.

Нейтронные звёзды — это самые компактные из известных звёзд. Они образуются после смерти обычных звёзд в результате взрыва сверхновой. Если нейтронные звёзды объединены в двойную систему, то со временем (из-за излучения гравитационных волн) они сближаются и в конце концов сливаются друг с другом. При этом они выделяют столько энергии, что ткань пространства-времени вокруг деформируется, образуя всплеск гравитационных волн, длящийся несколько десятков секунд. Выделившаяся уже во время столкновения энергия уносится прочь в виде Вселенную в гамма-, рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом и радиоизлучении.

В последнее десятилетие теория связывала слияние компактных компонентов двойных систем с так называемыми короткими гамма-всплесками. Технический прогресс и блестящая координация действий тысяч астрономов по всему миру позволила впервые подтвердить этот сценарий с помощью наблюдений.

Россия участвовала в этом открытии буквально с самого начала. Сотрудники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и Института прикладной физики РАН — участники научной коллаборации LIGO. Российские исследователи из ИКИ РАН входят в научную рабочую группу обсерватории «Интеграл» (проект ЕКА с участием России и США), работающую в координации с коллаборацией LIGO.

Гравитационный всплеск GW170817 долетел до Земли в 12:41:04 Всемирного времени 17 августа 2017 года и был зарегистрирован гравитационно-волновыми детекторами LIGO в США. Быстрые расчёты показали, что всплеск с высокой вероятностью соответствует слиянию двух нейтронных звёзд на расстоянии примерно 40 мегапарсек (130 миллионов световых лет) от нас. В 12:41:06 Всемирного времени космические обсерватории «Ферми» (НАСА) и «Интеграл» (ЕКА) зарегистрировали короткий гамма-всплеск GRB170817A, источник которого был расположен в той же области неба, откуда двумя секундами ранее пришли гравитационные волны.

Однако размер участка неба, откуда пришёл сигнал, составлял около сотни квадратных градусов, это очень много для более точных наблюдений. Далее ключевую роль сыграла работа второго гравитационно-волнового детектора Virgo (расположен в Италии) — именно он, хотя и не зарегистрировал сами колебания, помог сделать область локализации всплеска достаточно маленькой, чтобы наземные телескопы смогли вести эффективный поиск соответствующего оптического источника.

Такой источник был найден примерно через 11 часов независимо шестью разными группами на окраине яркой эллиптической галактики NGC 4993. Как только координаты возможного оптического компонента были опубликованы, началась масштабная кампания по его наблюдению в разных диапазонах длин волн. В этих работах активно участвовали российский научные группы, в частности, группа в ИКИ РАН, работающая с данными обсерватории «Интеграл» (научный руководитель со стороны России академик Рашид Алиевич Сюняев), сотрудники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (эксперимент «Конус» на аппарате «Винд», НАСА), ГАИШ МГУ (сеть телескопов МАСТЕР), сотрудники ИКИ РАН с помощью оптического телескопа в Чили.

Наземные и космические телескопы в течение нескольких десятков дней следили за этим объектом. Удалось подтвердить, что открытый источник, получивший при открытии имя SSS17a, действительно имеет отношение к слиянию двух нейтронных звёзд и короткому гамма-всплеску. Сопоставление наблюдательных данных и теории показало, что в данном случае мощные струи (джеты), ответственные за гамма-излучение, направлены в сторону от земного наблюдателя, и наши детекторы видят лишь свечение от их взаимодействия с веществом вокруг слившихся нейтронных звёзд. А оптическое излучение, которое удалось зарегистрировать, соответствует так называемой килоновой — явлению, сопровождающему короткие гамма-всплески, связанному с радиоактивным распадом выброшенного при взрыве вещества, и открытому в 2013 году.

Результаты наблюдений с помощью «Интеграла» дали возможность проверки постулатов общей теории относительности. В частности, подтверждено, что скорость распространения гравитационных волн с хорошей точностью соответствует скорости света, а также принцип эквивалентности сил гравитации и инерции. Для астрофизики они также весьма важны, поскольку позволяют получить ограничения на уравнения состояния нейтронных звёзд.

Интересно, что в гамма-диапазоне источник исчез — через пять дней после всплеска «Интеграл» уже не видел его на небе. Это накладывает определённые ограничения на то, какой именно объект получился в результате слияния двух нейтронных звёзд. Теоретически предполагается рождение черной дыры, однако если массы нейтронных звёзд не очень велики, то может образоваться магнитар — тоже нейтроная звезда, но с сильным магнитным полем. Такая звезда, однако, стала бы довольно источником жесткого рентгеновского или гамма-излучения, однако это не наблюдается, так что, видимо, в результате образовалась именно черная дыра.

В более мягких рентгеновских лучах, кстати, источник проявился только на девятый день, и его интенсивность долго не спадала (наблюдения космической обсерватории Chandra). Это соответствует скорее послесвечению, а низкая светимость может означать, что джет источника отвернут от наблюдателя более чем на 23 градуса.

Наблюдения с первого дня также проводили сотрудники группы быстропеременных источников ИКИ РАН под руководством Алексея Позаненко на телескопах российской обсерватории Chilescope, расположенной в чилийских Андах. Проанализировав совместно оптические и гамма- данные сотрудники группы предложили модель, объясняющую основные характеристики наблюдаемого излучения в гамма- и оптическом диапазоне. Отсутствие характерного послесвечения можно объяснить тем, что мы наблюдаем источник под большим углом, в отличие от других более далеких гамма-всплесков, которые мы видим близко к оси джета. Кривая блеска в гамма-диапазоне состоит из двух эпизодов с совершенно разными спектрами. Первый жёсткий эпизод излучения с нетепловым спектром ассоциируется с выходом релятивистского джета на поверхность оболочки, созданной звёздным ветром от аккреционного диска. Выход джета с субрелятивистской скоростью прогревает оболочку в области выхода и тепловое излучение оболочки формирует второй, более мягкий и более продолжительный эпизод. После выхода из оболочки джет принимает форму узкого конуса. Угол раствора конуса меньше угла, на котором расположен наблюдатель и обычное послесвечение не наблюдается или сильно подавлено.

Эта модель хорошо согласуется с оценками на отклонение оси джета от луча зрения, полученными как по гравитационно-волновым измерениям, так и в результате совместного анализа данных обсерваторий LIGO, «Интеграл» и «Ферми», а также c приведенными выше результатами наблюдений обсерватории Chandra.

Событие GW170817/GRB170817A стало первым экспериментальным доказательством справедливости теории образования коротких гамма-всплесков. Для астрономов, как подчеркнул Александр Лутовинов, это событие стало примером «multi-messenger astronomy» — если переводить это выражение по смыслу, то получится «астрономия в режиме мессенджера», способ работы с очень быстрыми оповещениями и мгновенной реакцией на них. Результат — мы впервые смогли заглянуть в самое сердце слияния нейтронных звёзд и увидеть, что с ними стало потом.

- О.З.

V. Savchenko et al. INTEGRAL Detection of the First Prompt Gamma-Ray Signal Coincident with the Gravitational-wave Event GW170817 The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2
A.S. Pozanenko et al. GRB170817A associated with GW170817: multifrequency observations and modeling of prompt gamma-ray emission (arXiv.org)

Фотогалерея:

16.10.2017. Профессор РАН Александр Лутовинов (ИКИ РАН), академик Лев Зелёный (ИКИ РАН), Рене Пишель (ЕКА). Сессия "ИНТЕГРАЛ: на пороге новой астрофизики". Фото: Игнат Соловей, 2017