Астрономы впервые смогли увидеть источник гравитационных волн в оптическом диапазоне. Этим источником стала килоновая  –  взрывное слияние двух нейтронных звезд.

17 августа 2017 года лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO в США совместно с установкой «Virgo Interferometer» в Италии зарегистрировала гравитационные волны, пришедшие на Землю из космоса. Эта пятая по счету регистрация гравитационных волн получила обозначение GW170817. Спустя примерно две секунды две космических обсерватории, гамма-телескоп Ферми (NASA) и астрофизическая гамма-лаборатория Европейского космического агентства (ESA) INTEGRAL, наблюдали короткий гамма-всплеск в той же области неба.

Гамма-всплеск – непродолжительный мощный сигнал электромагнитного излучения в гамма диапазоне, свидетельствующий о каком-то грандиозном космическом событии, сопровождавшемся выбросом огромного количества энергии. О том, что слияние черных дыр или нейтронных звезд, порождающее гравитационные волны, должно приводить к гамма-всплеску, астрофизики предполагали давно. И вот, наконец, они получили возможность сопоставить источники обоих типов излучений.

Наблюдения на установках LIGO–Virgo позволили определить местоположение источник гравитационных волн в пределах обширного участка южного неба размером в несколько сотен дисков полной Луны, содержащего миллионы звезд (площадь области около 35 квадратных градусов). Как только в Чили наступила ночь, многочисленные телескопы Европейской южной обсерватории (ESO) принялись наблюдать этот район неба в поисках новых источников излучения. Первое сообщение об обнаружении нового источника света поступило с оптического метрового телескопа Swope, который обнаружил объект вблизи линзообразной галактики NGC 4993 в созвездии Гидры. Почти одновременно тот же источник был зарегистрирован телескопом VISTA в инфракрасных лучах. После того, как ночь продвинулась по земному шару на запад, объект увидели телескопами Pan-STARRS и Subaru, на Гавайских островах, причем была замечена его быстрая эволюция.

Снимки галактики NGC 4993 несколькими приемниками и телескопами ESO.

Астрономы ESO начали одну из крупнейших за всю историю обсерватории внеплановых наблюдательных кампаний. Многочисленные телескопы обсерватории и ее партнеров непрерывно следили за новым событием и его последствиями в широком диапазоне длин волн на протяжении нескольких недель после его открытия. К сожалению, эту галактику можно было наблюдать только в вечернее время в августе; в сентябре она оказалась на небе слишком близко к Солнцу и стала ненаблюдаемой. К наблюдениям подключились и примерно 70 обсерваторий по всему миру, в том числе Космический телескоп Хаббла (NASA/ESA).

Оценки расстояния до объекта, полученные как из гравитационно-волновых данных, так и из других наблюдений, дали согласующиеся результаты: GW170817 находится на том же расстоянии от Земли, что и галактика NGC 4993, то есть в 130 миллионах световых лет. Таким образом, это ближайший к нам из всех обнаруженных источников гравитационных волн и один из ближайших когда-либо наблюдавшихся источников гамма-всплесков.

Галактика NGC 4993, снимок VLT (ESO, Чили). Слабый источник света вверху центра галактики – килоновая, взрыв при слиянии двух нейтронных звезд. Красным показано излучение газа, с неожиданной спиральной структурой.

Гравитационные волны порождаются любыми определенным образом ускоренно движущимися массами. Но только самые мощные из этих волн, обусловленные быстрыми изменениями скорости очень массивных объектов, могут быть зарегистрированы современными приемниками. В данном случае астрофизики предположили, что речь идет о слиянии нейтронных звезд. Поскольку именно этот процесс по современным представлениям в основном и порождает короткие гамма-всплески.

После того, как массивная звезда взрывается в виде сверхновой, на ее месте остается сверхплотное сжавшееся (сколлапсировавшее) ядро – нейтронная звезда. Поскольку массы нейтронных звезд в целом меньше, чем у черных дыр, их слияния порождают более слабые гравитационные волны, чем слияния черных дыр, которые, вероятно, и привели к первым четырем случаям регистрации гравитационных волн. В этом же случае наблюдения оказались возможными благодаря близости сливающихся нейтронных звезд к Земле.

На мозаике из фото, полученных инфракрасным обзорным телескопом VISTA (ESO, Чили), видно, как килоновая в NGC 4993 увеличивала яркость, становилась краснее и затем уменьшила свой блеск после взрыва 17 августа 2017.

Слияние двух нейтронных звезд должно сопровождается взрывом в тысячу раз более ярким, чем в случае типичной новой звезды. Поэтому его назвали килоновой. Почти одновременная регистрация гравитационных волн и гамма-лучей от GW170817 породила надежду на то, что это и есть давно разыскиваемая килоновая. И наблюдения на инструментах ESO действительно обнаружили у этого объекта свойства, очень близкие к теоретическим предсказаниям, сделанным уже более 30 лет назад. В частности, там происходит выброс радиоактивных тяжелых химических элементов, разлетающихся со скоростью в одну пятую скорости света. В течение нескольких дней — быстрее, чем при любом другом звездном взрыве —цвет килоновой меняется от ярко-голубого к очень красному.

Полученные на Очень большом телескопе (VLT ESO, Very Large Telescope) спектры показывают присутствие цезия и теллура, выброшенных в пространство. Эти и другие тяжелые элементы, такие как золото и платина, рассеиваются в космосе после взрывов килоновых. Таким образом, наблюдения указывают на формирование элементов тяжелее железа при ядерных реакциях в недрах сверхплотных звездных объектов. Этот процесс, называемый r-нуклеосинтезом, раньше был известен только в теории. Теперь есть первое наблюдательное подтверждение существования килоновых. Одновременно получены самые веские на сегодняшний день доказательства того, что кратковременные гамма-всплески обусловлены слияниями нейтронных звезд.

Пока что данные хорошо согласуются с теорией. Это можно считать триумфом теоретиков и подтверждением абсолютной реальности событий, зарегистрированных установками LIGO–VIRGO. Это и замечательное достижение ESO, которой удалось выполнить подробные наблюдения килоновой.
Результаты исследований представлены в шести статьях, публикуемых в журналах Nature, Nature Astronomy и Astrophysical Journal Letters.

По материалам Европейской южной обсерватории (ESO)