GW170817: pirmą kartą aptiktas gravitacinių ir elektromagnetinių bangų šaltinis

Šaltinis: NSF/LIGO/Sonoma State University/Aurore Simonnet

Kosmosas GW170817: pirmą kartą aptiktas gravitacinių ir ...

Kaip tik šiuo metu vyksta spaudos konferencijos apie vieną iš svarbiausių įvykių astronomijos istorijoje tiesioginė transliacija. Paskelbta dešimtys mokslinių straipsnių, šimtai mokslo naujienų, o ateityje rašomi astrofizikos vadovėliai neapsieis be nuorodos į GW170817.

Rupgjūčio 17d., 14:41:04 Lietuvos laiku, gravitacinių bangų detektoriai užfiksavo labai neįprastą signalą – dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimą. Po keleto minučių LIGO-Virgo mokslinė bendruomenė gavo pranešimą, jog praktiškai tuo pačiu metu Fermi kosminis teleskopas užfiksavo gama spindulių žybsnį.

Šimtai mokslininkų pradėjo tikrinti duomenis, siekdami gauti tikslesnius parametrus, ypač šaltinio padėtį danguje. Maždaug po pusvalandžio LIGO-Virgo mokslininkai išsiuntė apytikrę šaltinio padėtį danguje, siekiant surasti signalą elektromagnetinių bangų ruože. Daugiau nei 70 teleskopų iš viso pasaulio pradėjo ieškoti objekto danguje, kuris prieš kelias valandas dar nė neegzistavo. Galiausiai, po dvylikos valandų paieškos keletas teleskopų atrado naują, itin ryškų objektą galaktikoje NGC 4993. Vėlesni stebėjimai leido gauti ištisą elektromagnetinių bangų spektrą: pradedant gama spinduliais, baigiant radijo bangomis.

GW170817 aptikimas pagal laiką. Šaltinis: Mark Myers

Nors duomenų analizavimas truks dar bent kelerius metus, pamažu aiškėja bendras įvykio vaizdas. Nustatyta, jog maždaug 130 milijonų šviesmečių atstumu susidūrė dvi neutroninės žvaigždės. Jos yra šiek tiek masyvesnės nei Saulė (tarp 1 ir 2 Saulės masių), tačiau yra sunkiai įsivaizduojamai tankios – visa ši masė telpa į vos 30 km skersmens rutulį. Dvinarės sistemos orbita vis mažėjo dėl energijos praradimo spinduliuojant gravitacines bangas, kol galiausiai žvaigždės susijungė, pasiekusios trečdalį šviesos greičio. Po susijungimo susidarė vienas labai greitai besisukantis masyvus objektas, tačiau kol kas neišsiaiškintas tikslus objekto tipas: ar tai yra masyvesnė neutroninė žvaigždė, ar juodoji skylė.

Neutroninių žvaigždžių susijungimo vizualizacija. Šaltinis: NRAO/AUI/NSF

Susijungimo metu išspinduliuotos gravitacinės bangos atkeliavo iki Žemės, sukurdamos viso labo 10^{-21} iškreipimą erdvėlaikyje, kurį užfiksavo LIGO detektoriai; toks iškreipimas 4 km ilgio tunelį pailgina ar sutrumpina mažiau nei protono skersmeniu. Susidaręs naujas objektas pradėjo siurbti į save aplink esančią materiją, likusią po neutroninių žvaigždžių susidūrimo. Dėl itin didelės trinties dalis įkaitusios materijos buvo išsviesta iš sistemos, taip sukuriant galingą gama spindulių žybsnį, aptiktą Fermi palydovo. Likusi karšta materija buvo pamažu siurbiama į masyvų objektą, kurios spinduliuotę vėliau aptiko ultravioletinių, optinių ir infraraudonųjų bangų detektoriai. Po maždaug savaitės, materijai vis labiau vėstant, ji pradėjo spinduliuoti rentgeno bei radijo bangas.

Tai yra beprecedentis įvykis, kai ištisos kolaboracijos su tūkstančiais mokslininkų dirba drauge, siekdamos atskleisti Visatos paslaptis. Taip pat 2017m. rugpjūčio 17d. žymi pirmą kartą istorijoje, kai apie vieną reiškinį gavome informacijos ir elektromagnetinėmis, ir gravitacinėmis bangomis, taip leidžiant tyrinėti visiškai skirtingas objektų savybes.

Šaltinis: NASA

Neutroninių žvaigždžių atradimo svarba

GW170817 yra pirmas atvejis, kai neutroninės žvaigždės aptiktos gravitacinėmis bangomis. Iki šiol gravitacinių bangų detektoriai aptikdavo tik juodąsias skyles, kurių susidūrimai įprastai sukelia daug stipresnes bangas, taip leidžiant jas užfiksuoti daug didesniu atstumu. Vis dėl to GW170817 pateikė netikėtą staigmeną: neutroninės žvaigždės susidūrė santykinai arti – vos 130 milijonų šviesmečių atstumu arba maždaug 3 kartus arčiau, nei bet kuris anksčiau užfiksuotas signalas.

Skirtingai nei jungiantis juodosioms skylėms, neutroninių žvaigždžių susidūrimas išspinduliuoja ne vien gravitacines, bet ir elektromagnetines bangas. Pasinaudojus daugybe teleskopų, pavyko nustatyti objekto padėtį danguje, todėl buvo įmanoma gauti ir papildomos informacijos visame elektromagnetinių bangų spektre. Nors gauti duomenys bus analizuojami dar ne vienerius metus, jau per pirmuosius keletą mėnesių įvykdyti atradimai turės labai didelę reikšmę astrofizikai.

Gama žybsnių prigimtis

Prieš 50 metų JAV karinė žvalgyba į orbitą iškėlė Vela palydovus, norėdama stebėti atominių ginklų eksperimentus, tačiau išvydo kai ką netikėto – trumpus gama spindulių žybsnius, sklindančius iš kosmoso. Netrukus atsirado šimtai galimų teorijų, aiškinančių šių žybsnių šaltinį, tačiau tik po daugmaž 30 metų buvo atskleista daugiau detalių. Paaiškėjo, kad gama žybsniai yra vieni iš energiniausių įvykių Visatoje, sklinda iš atsitiktinės dangaus pozicijos, o Žemę vis naujo žybsnio fotonai pasiekia bene kiekvieną savaitę. Žybsniai yra skirstomi į dvi kategorijas: trumpuosius ir ilguosius žybsnius. Manoma, jog trumpieji žybsniai, trunkantys mažiau nei 2 sekundes, įvyksta susidūrus dviem masyviems objektams: arba dvinarei neutroninei žvaigždei, arba neutroninei žvaigždei ir juodajai skylei. Dvinarei sistemai susijungus, susidaro vienas masyvesnis objektas, kuris pradeda traukti į save aplinkinę materiją. Dalis šios, labai įkaitusios, medžiagos išsviedžiama į šalis didžiuliais greičiais ir skleidžia gama spindulius. Ilgieji žybsniai, tikėtina, įvyksta itin masyviai žvaigždei kolapsuojant į juodąją skylę – tada irgi išsviedžiama dalis aplink naujai atsiradusį objektą buvusios materijos, tiesiog procesas trunka kiek ilgiau, nei trumpųjų žybsnių atveju.

NASA vizualizacija, rodanti dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimą ir gama žybsnio spinduliavimą.

GW170817 aptiko gravitacines bangas, sklindančias iš dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimo, o po maždaug 1,7 sekundės gama spindulių orbitiniai teleskopai aptiko gama žybsnį iš tos pačios dangaus pozicijos. Tai leido galiausiai patvirtinti gama žybsnių prigimtį: juos tikrai sukelia neutroninių žvaigždžių susidūrimai.

Fermi aptiktas gama žybsnis (viršuje) ir gravitacinių bangų signalas (apačioje). Šaltinis: LVC/Virgo/FERMI

Vis dėlto, šis aptikimas ne vien suteikė atsakymų; jis pažėrė ir naujų klausimų. Aptiktas gama žybsnis yra išskirtingai silpnas – maždaug du šimtus kartų silpnesnis, nei kada nors anksčiau užfiksuotas. Kodėl šis gama žybsnis buvo toks silpnas? Ar gali būti, jog gama spinduliai sklinda ne iš siauros medžiagos čiurkšlės, kaip yra manoma, bet labiau simetrine struktūra? Kiek panašių gama žybsnių buvo neteisingai identifikuoti analizuojant palydovų duomenis manant, jog jie negali būti tokie silpni? Tai yra tik keletas iš daugybės labai svarbių klausimų, kurių nebuvo prieš GW170817.

Neutroninių žvaigždžių savybės ir struktūra

Manoma, kad neutroninių žvaigždžių išorinis sluoksnis sudarytas iš teigiamą krūvį turinčių jonų ir elektronų plazmos. Vidinis sluoksnis sudarytas iš neutronų ir protonų mišinio, besielgiančio panašiai į skystį, o pačiame centre yra elementariųjų dalelių kvarkų ir gluonų plazma. Dabartiniais komputeriniais modeliais neįmanoma sumodeliuoti neutroninių žvaigždžių struktūros, nes pilnai nesuprantame, kaip kvantų lygmenyje veikia fundamentaliosios jėgos – gravitacija, elektromagnetizmas ir atominės sąveikos. Būtent dėl to negalime tiksliai pasakyti, kokio skersmens ir tankio yra neutroninės žvaigždės. Supaprastinti modeliai rodo, kad šių objektų diametras gali būti iki 28 km, o sverti jos gali iki 3 Saulės masių.

Dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimas yra puikus eksperimentas išsiaiškinti, iš ko tokios žvaigždės sudarytos. Prieš joms susijungiant, žvaigždės dėl itin didelės tarpusavio gravitacijos nebesugeba išlaikyti savo įprastos formos ir deformuojasi. Jų deformacija matoma gravitacinių bangų signale, ypač kelete paskutinių orbitos ciklų. Vieno GW170817 signalo neužteks išsiaiškinti tiksliai, kuris iš daugelio modelių yra arčiausiai tiesios, tačiau dabar jau galime užtikrintai atmesti kai kurias itin drastiškas idėjas.

Pavyzdys, kaip skiriasi gravitacinių bangų signalas stabilioms neutroninėms žvaigždėms (mėlyna linija) ir formą keičiančioms (violetinė). Šaltinis: Jocelyn Read, LIGO

Visatos plėtimasis

Jau apie šimtą metų žinome, kad Visata plečiasi – kuo tolesnius objektus stebime, tuo grečiau tolstančius nuo mūsų juos matome. Santykis tarp judėjimo greičio ir atstumo vadinamas Hablo konstanta. Jos vertė – apie 70 km/s/Mpc (vienas megaparsekas – milijonas parsekų arba 3,26 mln. šviesmečių) – nustatyta įvairiais stebėjimais, tačiau skirtingų tyrimų rezultatai tarpusavyje nesutampa. Gravitacinių bangų signalo GW170817 duomenys, kartu naudojant atstumą, nustatytą optiniais teleskopais, leido apskaičiuoti Hablo konstantą visiškai nauju ir nepriklausomu būdu.

Nors Hablo konstantos reikšmė naudojant gravitacines bangas nėra nustatyta tiksliai (mėlyna), galima matyti, kad didžiausia tikimybė yra panaši į Planck (oranžinė) ir ShoES (žalia) tyrimų reikšmes. Ateityje, turint daugiau duomenų, konstantos reikšmę bus galima nustatyti daug tiksliau. Šaltinis: LIGO-Virgo

Aukščiau aprašyti atradimai yra tik maža dalis to, kas tik ką buvo publikuota dešimtyje mokslinių straipsnių. Ateityje galime tikėtis dar didesnių atradimų naudojant gravitacinių ir elektromagnetinių bangų simbiozę. LIGO ir Virgo detektoriai šiuo metu yra išjungti ir ruošiami trečiajam stebėjimų ciklui, o per artimiausius 10 metų galime tikėtis dar dviejų naujų gravitacinių bangų detektorių – KAGRA (Japonija) bei INDIGO (Indija).

Techo naujienos į Jūsų el. pašo dėžutę: