eso1733ru — Научный релиз

Телескопы ESO впервые наблюдали источник гравитационных волн

Сливающиеся нейтронные звезды выбрасывают в космос золото и платину

16 октября 2017 г., St.-Petersburg

16 октября 2017 г.
Телескопы ESO в Чили впервые зарегистрировали в оптическом диапазоне источник гравитационных волн. Эти исторические наблюдения свидетельствуют о том, что найденный уникальный объект является продуктом слияния двух нейтронных звезд. В результате этой грандиозной космической катастрофы, которая давно уже предсказывалась теоретиками и получила название «килоновой», в пространство выбрасываются тяжелые элементы, такие, как золото и платина. Кроме того, получены самые веские на сегодняшний день доказательства того,что кратковременные гамма-всплески также обусловлены слияниями нейтронных звезд. О сделанных открытиях сообщается в нескольких статьях, публикуемых в журнале Nature и в других изданиях.

Впервые в истории астрономы наблюдали гравитационные волны и свет (электромагнитное излучение), порожденные одним и тем же космическим событием. Эти наблюдения стали возможными благодаря глобальному сотрудничеству ученых и быстрой реакции наблюдателей как ESO, так и других астрономических обсерваторий мира.

17 августа 2017 года принадлежащая NSF лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO в США, работающая в кооперации с интерферометрической установкой Virgo Interferometer в Италии, зарегистрировала гравитационные волны, пришедшие на Землю из космоса. Эта пятая по счету регистрация гравитационных волн получила обозначение GW170817. Примерно через две секунды после этого две космических обсерватории, Космический гамма-телескоп Ферми NASA (Fermi Гамма-ray Space Telescope) и астрофизическая гамма-лаборатория ESA INTEGRAL (INTErnational Гамма Ray Astrophysics Laboratory), наблюдали короткий гамма-всплеск в той же области неба.

Наблюдения на установках LIGO–Virgo позволили позиционировать источник гравитационных волн в пределах обширного участка южного неба размером в несколько сотен дисков полной Луны, содержащего миллионы звезд [1]. Как только в Чили наступила ночь, многочисленные телескопы принялись наблюдать этот район неба в поисках новых источников излучения. В числе этих инструментов были обзорные телескопы ESO VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) и VST (VLT Survey Telescope) в обсерватории Параналь, итальянский телескоп REM (Rapid Eye Mount) в обсерватории ESO Ла Силья, 0.4-метровый телескоп обсерватории Лас Кумбрес, американский инструмент DECam в Межамериканской обсерватории Серро Тололо. Первое сообщение об обнаружении нового источника света поступило с метрового телескопа Swope: объект находился очень близко от линзообразной галактики NGC 4993 в созвездии Гидры. Почти в то же время тот же источник был зарегистрирован телескопом VISTA в инфракрасных лучах. По мере того, как ночь продвигалась по земному шару на запад, объект наблюдался на Гавайских островах телескопами Pan-STARRS и Subaru, причем была отмечена его быстрая эволюция.

“Редко случается, чтобы ученому выпадало быть свидетелем начала новой эры в науке”, -- сказала астроном Елена Пиан (Elena Pian), сотрудница Астрофизического института Италии INAF, основной автор одной из публикуемых в Nature статей. “Это – один из таких случаев!”

В ESO началась одна из крупнейших за всю историю обсерватории внеплановых наблюдательных кампаний. Многочисленные телескопы обсерватории и ее партнеров непрерывно следили за новым объектом на протяжении нескольких недель после его открытия [2]. Очень Большой Телескоп ESO (VLT), Телескоп Новой Технологии (NTT), VST, 2.2-метровый телескоп MPG/ESO, решетка телескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) [3] наблюдали событие и его последствия в широком диапазоне длин волн. 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 [4].

Рябь пространственно-временного континуума – как можно представить себе гравитационные волны – создается движущимися массами. Но только самые мощные из этих волн, обусловленные быстрыми изменениями скорости очень массивных объектов, могут быть зарегистрированы современными приемниками. Одним из таких событий и является слияние нейтронных звезд. После того, как массивная звезда взрывается в виде сверхновой, на ее месте остается сверхплотное сколлапсировавшее ядро: нейтронная звезда [5]. Слияниями нейтронных звезд в основном объясняются и короткие гамма-всплески. Считается, что это событие сопровождается взрывом в тысячу раз более ярким, чем типичная новая — так называемой 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. Таким образом, теперь получено первое наблюдательное подтверждение их существования.

В результате слияния двух нейтронных звезд и взрыва килоновой 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.

“Когда на наших мониторах появился спектр объекта, я понял,что это самое необычное транзиентное явление, которое я когда-либо видел”, -- говорит Стивен Смартт (Stephen Smartt), выполнявший наблюдения на телескопе ESO NTT в рамках расширенной программы спектроскопических исследований транзиентных объектов ePESSTO (Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects). “Я никогда не наблюдал ничего подобного. Наши данные, так же, как и данные других исследовательских групп, ясно показывают, что это была не сверхновая и не переменная звезда фона, а что-то совершенно необычное”.

Спектры, полученные в рамках ePESSTO и с приемником «X-shooter» на VLT показывают присутствие цезия и теллура, выброшенных в пространство при слиянии нейтронных звезд. Эти и другие тяжелые элементы, образовавшиеся при слиянии, 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.

“Пока что данные, которые мы получили, великолепно согласуются с теорией. Это триумф теоретиков, подтверждение абсолютной реальности событий, зарегистрированных установками LIGO–VIRGO, и замечательное достижение ESO, которой удалось получить такие наблюдения килоновой”, -- добавляет Стефано Ковино (Stefano Covino), первый автор одной из статей в Nature Astronomy.

“Сила ESO в том, что Обсерватория располагает целым набором великолепных телескопов и приемников, способных осуществлять крупные и сложные астрономические проекты в кратчайшее время. Мы вступили в новую эру в астрономии!” – заключает Эндрю Леван (Andrew Levan), основной автор одной из статей.

Примечания

[1] Установки LIGO–Virgo локализовали положения источников на небе в пределах области поперечником около 35 квадратных градусов.

[2] Эту галактику можно было наблюдать только в вечернее время в августе; затем она оказалась на небе слишком близко к Солнцу и в сентябре стала ненаблюдаемой.

[3] На телескопе VLT наблюдения выполнялись со следующими инструментами: спектрографом X-shooter на Основном телескопе UT2, приемниками FORS2 (FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2) и NACO (Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA)) на Основном телескопе UT1, спектрографом VIMOS (VIsible Multi-Object Spectrograph) и спектрометром среднего инфракрасного диапазона VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared) на Основном телескопе UT3, приемниками MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) и HAWK-I (High Acuity Wide-field K-band Imager) на Основном телескопе UT4. Телескоп VST был оснащен камерой OmegaCAM, а VISTA – камерой VIRCAM (VISTA InfraRed CAMera). В ходе выполнения программы ePESSTO на телескопе NTT спектры в видимой области получались с спектрографом EFOSC2 (ESO Faint Object Spectrograph и Camera 2), а в инфракрасной – с спектрографом SOFI (Son of ISAAC). На 2.2-метровом телескопе MPG/ESO был установлен приемник GROND (Гамма-Ray burst Optical/Near-infrared Detector).

[4] Слияния нейтронных звезд порождают более слабые гравитационные волны, чем слияния черных дыр, которые, вероятно, и привели к первым четырем случаям регистрации гравитационных волн. В этом случае наблюдения оказались возможными благодаря сравнительной близости сливающихся нейтронных звезд к Земле: всего 130 миллионов световых лет.

[5] Когда нейтронные звезды вращаются вокруг общего центра тяжести в двойной системе, они теряют энергию, излучая гравитационные волны. Поэтому они постепенно сближаются до тех пор, пока не сливаются, и при этом взрыве часть массы звездных остатков преобразуется в энергию гравитационных волн по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc².

Узнать больше

Результаты исследований представлены в серии статей, публикуемых в журналах Nature, Nature Astronomy и Astrophysical Journal Letters.

Обширный список участников исследовательских групп находится в этом PDF-файле.

Европейская Южная Обсерватория (ESO, European Southern Observatory) -- ведущая межгосударственная астрономическая организация Европы и самая продуктивная в мире наземная астрономическая обсерватория. В ее работе участвуют 16 стран: Австрия, Бельгия, Бразилия, Великобритания, Германия, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Польша, Португалия, Финляндия, Франция, Чешская Республика, Швейцария и Швеция, а также Чили, предоставившая свою территорию для размещения обсерваторий ESO. ESO проводит в жизнь масштабную программу проектирования, строительства и эксплуатации мощных наземных наблюдательных инструментов, позволяющих астрономам выполнять важнейшие научные исследования. ESO также играет ведущую роль в организации и поддержке международного сотрудничества в области астрономии. ESO располагает тремя уникальными наблюдательными пунктами мирового класса, находящимися в Чили: Ла Силья, Параналь и Чахнантор. В обсерватории Параналь установлен Очень Большой Телескоп ESO (The Very Large Telescope, VLT), работающий также в режиме крупнейшего в мире оптического телескопа-интерферометра (Very Large Telescope Interferometer, VLTI), и два широкоугольных телескопа с большим полем зрения: крупнейший в мире телескоп для выполнения обзоров неба в инфракрасных лучах VISTA и Обзорный Телескоп VLT (VLT Survey Telescope) -- крупнейший инструмент для обзоров неба в видимом свете. ESO также является одним из основных партнеров по эксплуатации двух инструментов на плато Чахнантор: APEX и крупнейшего астрономического проекта современности ALMA. На Серро Армазонес, недалеко от Параналя, ESO ведет строительство 39-метрового Чрезвычайно Большого Телескопа ELT, который станет «величайшим оком человечества, устремленным в небо».

LIGO финансируется NSF и эксплуатируется Caltech и MIT, которым принадлежит идея и конструкция LIGO и которые осуществляют исходную и продвинутую стадии проекта (Initial and Advanced LIGO Projects). Финансовая поддержка продвинутой стадии (Advanced LIGO project) осуществлялась NSF совместно с Германией (Max Planck Society), Великобританией (Science and Technology Facilities Council) и Австралией (Australian Research Council), которые внесли значительный склад в обеспечение и выполнение проекта. В работе консорциума LIGO Scientific Collaboration, включая и GEO Collaboration, принимало участие более 1,200 ученых со всего мира. Дополнительные партнеры проекта указаны на http://ligo.org/partners.php.

В коллаборацию Virgo входят более 280 физиков и инженеров из 20 различных европейских исследовательских групп: шести из CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) во Франции, восьми из INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare в Италии, двух из Nikhef в Нидерландах, группы MTA Wigner RCP в Венгрии, группы POLGRAW в Польше, университета Валенсии в Испании и Европейской гравитационной обсерватории (EGO), лаборатории, эксплуатирующей детектор Virgo вблизи Пизы в Италии и финансируемой CNRS, INFN и Nikhef.

Ссылки

• LIGO: пресс-релиз
• FAQ

Контакты

Kirill Maslennikov
Pulkovo Observatory
St.-Petersburg, Russia
Телефон: +78123637207
Сотовый: +78123637207
Email: kirill.maslennikov1@gmail.com

Stephen Smartt
Queen’s University Belfast
Belfast, United Kingdom
Телефон: +44 7876 014103
Email: s.smartt@qub.ac.uk

Elena Pian
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Bologna, Italy
Телефон: +39 051 6398701
Email: elena.pian@inaf.it

Andrew Levan
University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Телефон: +44 7714 250373
Email: A.J.Levan@warwick.ac.uk

Nial Tanvir
University of Leicester
Leicester, United Kingdom
Телефон: +44 7980 136499
Email: nrt3@leicester.ac.uk

Stefano Covino
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Merate, Italy
Телефон: +39 02 72320475
Сотовый: +39 331 6748534
Email: stefano.covino@brera.inaf.it

Marina Rejkuba
ESO Head of User Support Department
Garching bei München, Germany
Телефон: +49 89 3200 6453
Email: mrejkuba@eso.org

Samaya Nissanke
Radboud University
Nijmegen, The Netherlands
Email: samaya@astro.ru.nl

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Телефон: +49 89 3200 6655
Сотовый: +49 151 1537 3591
Email: rhook@eso.org

Connect with ESO on social media