Обсерватории LIGO/Virgo, «Интеграл» и «Ферми» впервые зарегистрировали момент слияния двух нейтронных звёзд

16 Окт 2017

17 августа 2017 года исследователи на Земле впервые могли наблюдать момент слияния двух нейтронных звёзд. Решающую роль в этом открытии сыграла обсерватория ИНТЕГРАЛ Европейского космического агентства (ЕКА), которая вместе с гамма-обсерваторий Fermi (НАСА) наблюдала короткий гамма-всплеск, связанный с гравитационными волнами, излучёнными при столкновении двух нейтронных звёзд. Гравитационные колебания были зарегистрированы с помощью экспериментальной установки LIGO (CША).

В последующей кампании по наблюдению послесвечения от этого источника участвовали сотни телескопов и тысячи исследователей. Её результаты изложены в нескольких статьях. Важнейшие из них публикуются 16 октября 2017 года, но исследование найденного источника продолжается.

16 октября в ИКИ РАН состоялась пресс-конференция, посвящённая открытию, в которой участвовали сотрудники ИКИ РАН и физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова — соавторы открытия, участники коллаборации LIGO.

17 августа 2017 года в 12:41:04 UTC орбитальные обсерватории «Интеграл» и «Ферми» зарегистрировали всплеск гамма-излучения, длившийся почти две секунды. Сами по себе такие короткие гамма-всплески — не редкость: «Интеграл» регистрирует несколько десятков подобных событий в год. Но этот всплеск оказался особенным.

Всего за несколько секунд до того, как «Интеграл» и «Ферми» увидели вспышку, один из двух детекторов гравитационно-волнового эксперимента LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) в США зарегистрировал прохождение гравитационных волн – колебаний в структуре пространства-времени, вызванных мощными событиями, происходящими в космосе.

LIGO — наземная обсерватория, работающая на основе лазерного интерферометра, и предназначенная для регистрации гравитационных волн.
До 17 августа существование гравитационных волн было уже подтверждено  наблюдениями в сентябре 2015 г., в конце 2015 г. и в начале 2017 г. Четвёртое наблюдение  в этом ряду, в августе 2017 г., состоялось не только на установке LIGO, но и на подобной европейской установке Virgo в Италии. Эти открытия принесли ведущим учёным проекта LIGO Нобелевскую премию по физике, о которой было объявлено в начале октябре

Но в каждом из этих четырёх событий источником оказывались пары сливающихся чёрных дыр, которые, сближаясь, излучали гравитационные волны.
Считается, что гравитационные волны — единственный доступный нам источник информации о столкновении чёрных дыр. После регистрации четырёх упомянутых событий учёные всего мира начали поиск ярких всплесков электромагнитного излучения, связанных с гравитационными волнами, которые могли зарегистрировать различные наземными и орбитальными телескопами. Однако до последнего момента этот поиск не дал результатов.
Но в этот раз события развивались иначе.

Кроме черных дыр, существуют и другие компактные объекты — то есть объекты с большой массой и малыми размерами. Это, например, нейтронные звёзды: при массе 1-2 массы Солнца их радиус составляет 10-12 км. Как и чёрные дыры, они являются компактными остатками массивных звёзд.
Если в столкновении и слиянии участвуют одна или несколько нейтронных звёзд, то, как предполагается, при этом возникнут не только гравитационные возмущения, но и электромагнитное излучение во всех диапазонах энергии. Так, считается, что слияние нейтронных звёзд в двойных системах — источник коротких гамма-всплесков, причину которых уже долгое время не удаётся определить. Но до августа 2017 года наблюдательных подтверждений этой теории не было.

Сообщения о регистрации события «Интегралом», «Ферми» и LIGO поступили к исследователям практически одновременно. Это свидетельствовало о том, что зарегистрировано что-то очень необычное.

Интересно, что первоначально LIGO зарегистрировал сигнал только на одном из двух своих детекторов. Обычно на подобные регистрации обращают не очень много внимания, но одновременная регистрация гамма-всплеска в космосе заставила присмотреться к событию внимательнее. Оказалось, что прохождение гравитационных волн зарегистрировали оба детектора LIGO, но пик на втором детекторе был не столь выраженным.

Европейский эксперимент Virgo имеет более низкую чувствительность и по-другому ориентирован в пространстве, поэтому его отклик на данное событие был слабее. Но благодаря его данным, комбинированным с данными LIGO, удалось достаточно точно определить направление на источник события.

По этой информации был определен участок неба площадью 28 квадратных градусов (соответствует квадрату с длиной стороны примерно в 10 раз больше диаметра полной Луны). Параметры гравитационных волн свидетельствуют о том, что источник события расположен примерно в 130 миллионах световых лет от Земли. Это далеко за пределами нашей Галактики, примерно в 1000 раз дальше, чем Магеллановы Облака.

После определения направления на него, в кампанию по поиску сигналов на разных длинах волн включилось множество наземных и орбитальных телескопов.

Примерно через полдня после регистрации события учёным из обсерватории Las Campanas удалось заметить новый объект вблизи ядра галактики NGC 4993. Именно такое свечение в видимом диапазоне энергии и предполагалось зарегистрировать от слияния нейтронных звёзд в двойной системе, произошедшего на расстоянии, определённом экспериментами LIGO/Virgo (источник получил обозначение GW170817). Чуть позднее этот вывод был подтвержден наблюдениями и на других телескопах.

Это один из наиболее близких гамма-всплесков из тех, что наблюдались, и один из наиболее тусклых (почти в миллион раз по сравнению со средним). Возможно, это значит, что джеты — релятивистские струи, которые образуются в момент слияния нейтронных звёзд, — направлены не точно на Землю. Массы нейтронных звёзд были определены в диапазонах 1.36–2.26 и 0.86–1.36  массы Солнца. Пришедший сигнал, видимо, образовался в момент, когда они вращались друг вокруг друга на расстоянии всего 300 км, постоянно разгоняясь. В момент столкновения обе звезды слились в один чрезвычайно плотный объект, породив яркую вспышку гамма-излучения. Его наблюдения, в комбинации с гравитационно-волновыми данными, могут использоваться для подтверждения теории Эйнштейна, согласно которой гравитационные волны распространяются со скоростью света.

Наблюдения этой области неба десятками телескопов продолжались в течение нескольких дней, а на некоторых установках — и недель. В их числе был и российские: сеть оптических телескопов «Мастер» и прибор КОНУС на аппарате «Винд» (НАСА). Хотя исследователям не удалось увидеть сам всплеск с помощью «Конуса», используя отлаженный алгоритм определения локализации по наблюдениям нескольких спутников и данные «Интеграла» и «Ферми», они смогли значительно улучшить точность локализации.

Обсерватория «Интеграл» продолжала наблюдение этой области неба ещё пять с половиной дней. Больше гамма-излучения от данного источника зарегистрировано не было, что является важным фактом для понимания того, как происходило столкновение нейтронных звёзд и что образовалось в результате слияния.

Кампания последующих наблюдений выявила сигналы от данного источника по всей ширине спектра, сначала в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном, а, затем в рентгеновском и, наконец, в радиодиапазоне.

Это явление называют «килоновой» (по аналогии со «сверхновой» и «новой»). При этом вещество нейтронной звезды взаимодействует с окружением, рождая новые химические элементы.

«Это, действительно, выдающееся открытие — мы впервые зарегистрировали гравитационные волны и мощное гамма-излучение от одного и того же космического объекта. Раньше такого никогда не наблюдалось. Здесь мы видим явные признаки слияния нейтронных звёзд, проявления так называемой килоновой, при которой образуются элементы тяжелее железа, — поясняет Александр Лутовинов, профессор РАН, руководитель лаборатории отдела астрофизики высокх энергий ИКИ РАН и участник Научной рабочей группы обсерватории ИНТЕГРАЛ. — Теоретические модели уже достаточно давно предсказывали, что так называемые короткие гамма-всплески должны быть связаны со слияниями нейтронных звезд и черных дыр или двух нейтронных звезд. Но только сейчас мы увидели это своими глазами. И очень здорово, что обсерватория ИНТЕГРАЛ смогла сыграть в этом открытии важнейшую роль. Хочется особо отметить наше сотрудничество с европейскими учеными — анализ данных обсерватории шел одновременно в ИКИ РАН, в Швейцарии, Италии, Франции, Дании, мы непрерывно обменивались информацией, промежуточными итогами, обсуждали идеи и возможные модели для объяснения наблюдаемого явления. Все это вместе привело к столь блестящему результату».

Совместная регистрация гравитационно-волнового события GW170817 и одновременного излучения короткого гамма-всплеска. Данные гравитационно-волновой обсерватории LIGO приведены на нижней панели. Два верхних графика отражают данные космической гамма-обсерватории Fermi, третий сверху график — данные рентгеновской обсерватории «Интеграл» (третья панель). Черная линия — момент слияния нейтронных звезд, серая — момент регистрации гамма-излучения. По горизонтали отложено время от момента слияния в секундах. Изображение из статьи B.P. Abbott et al. ApJ Letters, V. 848, Number 2

- О.З.

  1. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral Phys. Rev. Lett. 119, 161101 – Published 16 October 2017
  2. 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
  3. B.P. Abbott et al. Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2
  4. B.P. Abbott et al. Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2
Дополнительная информация: 
  1. 2017.10.16 Integral sees blast travelling with gravitational waves Пресс-релиз Европейского космического агентства
  2. 2017.10.16 LIGO and Virgo make first detection of gravitational waves produced by colliding neutron stars Новость на портале коллаборации LIGO
  3. 2017.10.16 Caltech-Led Teams Strike Cosmic Gold Пресс-релиз Калифорнийского технологического университета (на странице есть ссылки на анимацию и графику)
  4. Запись пресс-конференции в ИКИ РАН 16.10.2017 на канале YouTube