Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Наблюдаемая «килонова», по сути, представляет собой раскаленный огненный шар, остаток катастрофического столкновения нейтронных звезд. Частицы горячего плотного ядерного вещества выбрасываются в космос во всех направлениях со скоростями, достигающими 20–30 % скорости света. Освободившись от громадной силы притяжения нейтронных звезд, остатки расширяются, стремительно теряя сверхвысокую плотность. Нейтроны начинают распадаться с образованием протонов, и в возникающей термоядерной топке те и другие частицы сливаются в ядра тяжелых атомов, многие из которых очень радиоактивны. Остается невероятно горячая оболочка, насыщенная некоторыми из самых тяжелых элементов периодической таблицы.

Спектральные наблюдения при помощи спектрографа X-Shooter обсерватории VLT и других инструментов обнаружили присутствие так называемых редкоземельных элементов (лантаноидов). Без сомнения, появились и намного более тяжелые элементы. Наблюдения подтвердили теорию, согласно которой большинство элементов тяжелее железа образуются вследствие распада ядерной материи после столкновений нейтронных звезд, а не взрывов сверхновых. Очевидно, открыв послесвечение GW170817, ученые в буквальном смысле нашли золотую жилу – возможно, до нескольких земных масс драгоценного металла.

Осталось и несколько загадок. Одна из них – природа сигнала гамма-излучения, наблюдаемого «Ферми». Может быть, релятивистская струя гамма-всплеска была направлена не под прямым углом к нашей планете и мы наблюдали событие сбоку. По мнению многих астрономов, это самое вероятное объяснение слабости всплеска. Оно объясняет и задержку рентгеновских (наблюдаемых лишь через 9 дней) и радиоволн, зарегистрированных не ранее начала сентября.

Дальнейшие наблюдения за местом космической катастрофы могли бы пролить свет на еще одну, пока не раскрытую, тайну – дальнейшей судьбы двух нейтронных звезд. Бесспорно, несколько процентов их совокупной массы было выброшено в космос, но что произошло с остальной? Слились ли две компактные звезды в свермассивную нейтронную звезду в несколько солнечных масс или коллапсировали в ЧД звездной массы?

К сожалению, данные LIGO не дают уверенного ответа. Финальная стадия слияния не наблюдалась. В предыдущих случаях столкновений черных дыр LIGO регистрировали отзвуки «фазы затухания», краткого периода, когда амплитуда волн Эйнштейна быстро снижалась до нуля. Характеристики затухания позволяли оценить конечную массу объединенной черной дыры.

Однако в случае GW170817 частота волны непосредственно перед слиянием двух нейтронных звезд стала слишком большой для наблюдения LIGO, и сигнал был потерян. Поэтому у астрономов отсутствуют надежные данные, чтобы судить о свойствах возникшего в результате слияния объекта.

Тем не менее практически нет сомнений, что при столкновении возникла новая ЧД. Если бы возникла сверхмассивная нейтронная звезда, она была бы экстремально горячей и мы бы регистрировали рентгеновское излучение. Возможно, две нейтронные звезды сначала слились в сверхмассивный объект около 2,8 солнечных масс, удерживаемый силами невероятно быстрого вращения вокруг своей оси, но через долю секунды коллапсировавший в черную дыру.

В общем, наблюдения GW170817, сами по себе впечатляющие, могут оказаться пресловутой «верхушкой айсберга» будущего раскрытия тайн гамма-всплесков, эволюции двойных звездных систем, синтеза тяжелых элементов, общего принципа относительности, поведения материи в экстремальной среде и свойств нейтронных звезд. Физиков особенно интересуют свойства этих сверхплотных звездных остатков, в которых сотня тысяч тонн материи упакованы в 1 куб. мм. Мы никогда не сможем воспроизвести такие немыслимые условия в лаборатории на Земле.

В принципе, подробное исследование сигналов гравитационных волн, таких как GW170817, могло бы дать больше информации, особенно если бы удалось в деталях наблюдать еще и высокочастотные волны финальных стадий слияния. По мере сближения двух нейтронных звезд взаимные приливные силы будут растягивать и сжимать их. Величина возникающих деформаций поведает физикам о внутренней структуре звезды, характере изменения ее плотности в зависимости от глубины и т. д. На основе наблюдений GW170817 это так называемое уравнение состояния пока не было выведено. Однако пока все данные согласуются с результатами ядерных экспериментов в лабораториях Земли.

Более того, тот факт, что вследствие слияния возник столь массивный, релятивистски расширяющийся огненный шар, накладывает определенные ограничения на приливные деформации двух нейтронных звезд. Более компактные звезды могут теснее сблизиться, прежде чем сольются. Вследствие этого они испытывают более мощное соударение и выбрасывают больше массы. Из оценки массы выброса (возможно, около 5 % массы Солнца) следует, что нейтронные звезды имеют самое большее 27 км в диаметре. В то же время, судя по другому комплексу данных, они не могут быть меньше 22 км.

Это еще не все. Как свидетельствует почти одновременное поступление гамма-лучей и гравитационных волн, колебания пространственно-временного континуума распространяются со скоростью света с точностью до одной квадриллионной – что подтверждает теорию относительности Эйнштейна. Независимые измерения расстояния до родительской галактики, в которой произошло событие (на основе наблюдаемой амплитуды волн Эйнштейна), в сочетании со скоростью удаления NGC4993 дают значение скорости расширения Вселенной, превосходно согласующееся с существующими измерениями. Путем дальнейших наблюдений астрономы надеются значительно повысить точность этой оценки.

Осенью 2018 г. обе LIGO и Virgo начнут очередной научный запуск с использованием еще более чувствительной аппаратуры. Вскоре после этого будет введен в эксплуатацию японский детектор KAGRA (см. главу 16). Лет через двадцать измерения гравитационных волн могут стать столь же обыденными, как и наблюдения рентгеновского излучения в последние 40 лет.

В порядке публикации в книге:

Уил Тирион.

Фотография Оррена Джека Тернера. Отдел печатных изданий и фотографий Библиотеки Конгресса, Вашингтон, округ Колумбия, D. C. LC-USZ62–60242.

Кэтрин Стефенсон, Стэнфордский университет и корпорация Lockheed Martin/НАСА.

Специализированные коллекции и университетские архивы, библиотека Мэрилендского университета.

Команда ключевой программы ЕКА/Hershel/PACS/MESS по изучению остатков сверхновых; НАСА, ЕКА и Элисон Лолл/Джефф Хестер (Университет штата Аризона).

М. Барнелл.

Публикуется с разрешения Национального центра по астрономическим и ионосферным исследованиям – обсерватории Аресибо, научного объекта Национального фонда содействия развитию науки.