В понедельник стало известно о беспрецедентном явлении - впервые зафиксированных учеными LIGO и Virgo гравитационных волнах от слияния двух нейтронных звезд. Это событие уже называется началом новой эпохи в астрофизике, но почему именно оно так важно?
Мы побеседовали с Аланом Джей Вайнштайном - профессором физики и главой группы анализа астрофизических данных из лаборатории LIGO в Калифорнийском технологическом институте. Он рассказал, почему произошедшее имеет такое значение, и как может изменить существующее понимание Вселенной.
Все говорят, что произошло «беспрецедентное» явление. В чем его значимость?
В первый раз наша научная команда и детекторы LIGO засекли гравитационные волны в сентябре 2015, при столкновении двух черных дыр. Это подтвердило значимую гипотезу теории относительности Эйнштейна, предоставило нам новые возможности по изучению черных дыр, позволило стать свидетелями мощнейшего явления со времен Большого взрыва и, в какой-то мере, дало возможность услышать вибрации самого пространства-времени. С тех пор мы зафиксировали еще несколько подобных явлений.
Но 17 августа 2017 года мы увидели нечто другое. Это было слияние двух ультракомпактных светил – не черных дыр, а нейтронных звезд. Они состоят из чистого ядерного материала, так что это весьма экзотическая и интересная тема для физиков и астрономов. Но главное, что, в отличие от черных дыр, они излучают свет - в больших количествах.
Гравитационные волны
Гравитационные волны, предсказанные Общей теорией относительности, – это изменения гравитационного поля, которые распространяются по принципу волны. Они могут быть описаны как «рябь пространства-времени».
Впервые их обнаружили в 2015 году детекторами обсерватории LIGO. В 2017 году американские физики Вайсс, Торн и Бэриш получили Нобелевскую премию за экспериментальное обнаружение гравитационных волн от слияния двух черных дыр.
Термин «гравитационная волна» ввел Пуанкаре в 1905.
Мы впервые стали свидетелями такого масштабного астрономического явления, являвшегося источником и гравитационных волн и света. Мы наблюдали свет во всех его многочисленных проявлениях: не только видимое излучение, но и ультрафиолетовое, инфракрасное, рентгеновское и гамма-излучение, радио-волны.
Так мы смогли «увидеть» и «услышать» это необычайное явление самыми разными способами. Произошедшее подтвердило связь между слиянием двойных нейтронных звезд и гамма-всплесками (GRB), определило вероятное местоположение синтеза тяжелых элементов во вселенной, позволило нам впервые измерить скорость и поляризацию гравитационных волн. Благодаря гравитационным волнам, событие стало началом эры multi-messenger astronomy.
Multi-messenger astronomy
У термина multi-messenger astronomy до сих пор нет официального аналога в русском языке. Эта сфера астрономии основана на скоординированном наблюдении и интерпретации сигналов, создании, с помощью различных астрофизических процессов, электромагнитного излучения, гравитационных волн, нейтрино и космических лучей. Так они раскрывают различную информацию о своих источниках.
Как правило, источниками являются ультракомпкатные пары черных дыр и нейтронных звезд, сверхновые, нерегулярные нейтронные звезды, гамма-всплески активные галактические ядра и релятивистские струи.
Теперь у физиков и астрономов есть возможность многое узнать об этом невероятно многогранном процессе, мы все еще продолжаем исследовать произошедшее и узнавать что-то новое. Но если говорить о важности данного события в практическом и общечеловеческом смысле, оно предоставляет нам информацию о происхождении самых тяжелых химических элементов, включая драгоценные металлы в наших ювелирных изделиях.
https://youtu.be/oj3ZgXgI6ag
В результате столкновения появилось золото, свинец и платина. Человек не слишком близкий к миру науки (как я, например) это видит похожим на взрыв золотой пыли, но, конечно, все намного сложнее.
Нейтронные звезды это чистый ядерный материал, который, при столкновении, выбрасывается в межзвездное пространство в огромном количестве. Он расщепляется, а затем объединяется в богатые нейтронами атомные ядра, которые становятся тяжелыми элементами - не только золотом, свинцом и платиной, но и ураном, плутонием, большинством других самых тяжелых элементов периодической таблицы. Они рассеиваются по своей галактике (которая, в случае GW170817, очень далеко).
Подобные столкновения происходят в нашем Млечном Пути примерно раз в 10-100 тысяч лет. Оставшиеся после них фрагменты тяжелых элементов попадают в нашу солнечную систему и на Землю.
Нейтронные звезды
Нейтронная звезда представляет собой плотное нейтронное ядро с тонкой оболочкой, которое образуется в результате взрыва сверхновой. Нейтронные звезды обладают мощным магнитным полем и большой плотностью, но при этом их размеры составляют 10-20 км. Многие нейтронные звезды обладают огромной скоростью вращения – несколько сотен оборотов в секунду.
Столкновение важно по ряду причин. Уже говорят о том, что оно станет началом новой эры для астрономии. Это действительно так?
Да! Мы обнаружим еще много подобных явлений, различных звездных масс в различных галактических средах. Это позволит нам узнать многое об образовании, развитии и угасании самых массивных звезд и укрепить новое понимание происхождения самых тяжелых химических элементов. Результаты этих исследований появятся в учебниках, так что, когда мы говорим о блестящем будущем, – или даже золотом, то действительно имеем это в виду.
Столкновение предоставило новую возможность для изучения гравитационных волн и Вселенной. Что нового узнают ученые благодаря такой находке?
Мы сможем измерять скорость расширения Вселенной с постоянно улучшающейся точностью. Есть много способов это сделать, но у нас появился другой совершенно новый метод. Если во всех случаях мы придем к одинаковым выводам, то укрепим наше понимание Большого взрыва. Если нет, то мы будем знать, что неправильно поняли какие-то данные, нуждаемся в теории получше или упустили что-то важное.
Мы будем получать при изучении фундаментальных свойств гравитационных волн все более точную информацию. Это позволит нам подвергнуть общую теорию относительности Эйнштейна, современную теорию гравитации, еще более суровым испытаниям. Мы подозреваем, что в конце концов обнаружим, что она не совсем верна, и это укажет на более глубокую и точную теорию.
Общая теория относительности (ОТО)
В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою геометрическую теорию тяготения, ставшую известной под именем Общей теории относительности. Главным ее утверждением являлось то, что гравитационные и инерционные силы имеют одинаковую природу, из чего следовало, что деформация пространства-времени обуславливает гравитационные эффекты.
Эйнштейн использовал уравнения гравитационного поля, чтобы связать материю и кривизну пространства-времени, в котором она существовала – в этом заключалось отличие работы от других альтернативных теорий гравитации.
Общая теория относительности предсказала такие эффекты, как гравитационное замедление времени, гравитационное отклонение света, гравитационное красное смещение света, гравитационное излучение, задержка сигнала в гравитационном поле и т.д. Кроме того, она предсказывала существование черных дыр.
На сегодняшний день ОТО остается самой успешной теорией гравитации.
Нечто подобное столкновению нейтронных звезд происходит необыкновенно редко. Когда ученые станут свидетелями чего-то подобного снова?
Такие явления можно наблюдать в Млечном Пути каждые 10-100 тысяч лет. Нам не придется так долго ждать! Наши нынешние детекторы LIGO способны наблюдать подобные столкновения в отдаленных галактиках, более чем в миллионе. Сейчас мы улучшаем чувствительность наших детекторов, чтобы быть в состоянии зафиксировать данные явления в сотнях миллионов галактик. Так что мы надеемся наблюдать нечто подобное каждый год.