Млечный путь № 3 2017

Павел АМНУЭЛЬ
КАТАСТРОФА В ДАЛЕКОЙ ГАЛАКТИКЕ

Открытие в науке – это ведь нечто такое, чего нельзя было предвидеть, верно? Иначе – какое же это открытие? Да, существуют открытия, предвидеть которые невозможно или, по крайней мере, чрезвычайно затруднительно. Назовем их открытиями первого класса. К таким открытиям принадлежат, например, открытие явления радиоактивности и эксперимент Майкельсона – Морли.

Есть открытия, которые можно было предвидеть, а не предсказаны они оказались потому, что ученые не проанализировали все исследовательское поле. Назовем их открытиями второго класса. Таким было, например, открытие пульсаров в 1967 году – неожиданное для многих астрофизиков, но вполне предсказуемое, поскольку теории нейтронных звезд к тому времени исполнилось уже тридцать лет, а то, что звезды вращаются, имеют магнитные поля и, следовательно, способны излучать узконаправленные потоки частиц, можно было предположить без особых усилий научного воображения (потому правильная гипотеза о природе пульсаров не замедлила появиться).

Открытия третьего класса – это такие, которые были предсказаны, но не вполне соответствовали ожиданиям. Пример – открытие темного вещества. В тридцатых годах прошлого века Фриц Цвикки обнаружил, что некоторые галактики вращаются быстрее, чем должны бы, если бы их массы были определены правильно. Похоже было, что галактики более массивны, чем выглядели – будто в них есть дополнительная невидимая масса. К статье Цвикки отнеслись скептически. И лишь в девяностых годах проблема невидимой темной массы стала общепризнанной, когда речь шла уже не о массе отдельных галактик, а о массе всей видимой Вселенной.

И есть, наконец, открытия четвертого класса – в точности такие, какие были предсказаны. Это открытия – прямые следствия из уже известной и популярной теории, такой, например, как общая теория относительности.

Именно такое открытие было сделано летом нынешнего года. Открытие четвертого класса – давно предсказанное, но только сейчас сделанное. Раньше не было нужной аппаратуры, сейчас она есть, только и всего.

Тем не менее, это действительно выдающееся открытие, о нем и пойдет речь.

Интернет полон популярных материалов о столкновении двух нейтронных звезд в далекой галактике. Например,

http://www.bbc.com/russian/features-41643567

http://tass.ru/nauka/4650579

https://nplus1.ru/news/2017/10/16/kilonova

.

Обратимся, однако, не к пересказам научных журналистов, а к комментарию профессионала: профессора, доктора физико-математических наук Владимира Михайловича Липунова, работающего в Астрономическом институте имени П. К. Штернберга в Москве.

http://www.pereplet.ru/lipunov/433.html#433

***

17 августа 2017 года, в процессе инспекции гравитационно-волнового импульса впервые в истории естествознания Глобальная сеть телескопов-роботов МАСТЕР МГУ обнаружила оптическую вспышку сопровождающую столкновение двух нейтронных звезд. Теперь можно констатировать состоявшимся рождение новой науки – гравитационно-волновой астрономии.

Что произошло 17 августа 2017 года?

Три гравитационно-волновых антенны, расположенные в США (Луизина, Хэмфорд) и Италии (Пиза) практически одновременно зарегистрировали столкновение двух нейтронных звезд на расстоянии 40 мегапарсек. Ошибка координат составила сотни градусов. Однако через две секунды всенаправленная гамма-обсерватория NASA «Ферми» обнаружила короткий всплеск гамма-излучения, позже подтвержденный и европейской гамма-обсерваторией «ИНТЕГРАЛ».

После уточнения и коррекции вероятного направления на небе квадрат ошибок стал порядка ста квадратных градусов. Через полдня несколько наземных оптических телескопов, в том числе один из восьми российских телескопов-роботов Глобальной сети МАСТЕР МГУ, расположенный в Андах на высоте 2500 метров (Аргентина, Обсерватория национального университета г, Сан-Хуан), обнаружил оптическую вспышку в галактике NGC 4993. Почему так быстро?

Например, телескопы прошлого века три десятилетия не могли обнаружить оптическое излучение самых мощных взрывов во Вселенной – гамма-всплесков. Это не удивительно: квадрат ошибок GW 170817 площадью ~ сто квадратных градусов телескопы ХХ века снимали бы несколько недель. Причем, они бы даже не обработали эти изображения. За это время оптическая вспышка успела бы угаснуть.

Как же аналогичную задачу удалось решить всего за несколько часов? Ответ простой – за последние 20 лет произошла революция быстродействия поисковых телескопов. Их возможности возросли в сотни раз! Сейчас самые быстрые телескопы-роботы всего за неделю способны осмотреть все небо. Аналогичная задача в ХХ веке решена была за несколько десятилетий. При этом надо не просто получить снимки, а найти на них все новые объекты!

Поэтому событие 17 августа 2017 года явилось результатом сразу двух революций в технологии: физики научились измерять расстояния с тысячекратной точностью по сравнению с ХХ веком, а астрономы создали телескопы-роботы, способные обозревать поля и находить новые объекты с тысячекратной скоростью.

Нейтронные звезды – это первый класс астрономических объектов, существование которых было предсказано теоретически и подтверждено наблюдениями. В 1932 году советский физик Лев Давыдович Ландау высказал идею о том, что в природе должны существовать гигантские атомные ядра с атомной массой больше массы Солнца и размером 10 км. Это случилось еще до открытия нейтронов британцем Джеймсом Чедвиком. Через два года американские астрофизики Вальтер Бааде и Фриц Цвикки дали им название – нейтронные звезды – и высказали предположение, что эти звезды рождаются в результате катастрофического коллапса (гравитационного сжатия), который в свою очередь сопровождается вспышкой Сверхновой звезды. Они прямо указали на Крабовидную туманность, которая образовалась в результате вспышки Сверхновой, наблюдавшейся китайскими астрономами в 1054 году. Именно здесь, в Крабовидной туманности, через 35 лет был найден самый молодой радиопульсар – быстро вращающаяся нейтронная звезда.

В 1966 г. советские ученые Яков Борисович Зельдович и Игорь Дмитриевич Новиков нашли физический процесс, который мог бы сделать эти микроскопические по масштабам звезд объекты с радиусом порядка 10 км яркими источниками электромагнитного излучения. Этот механизм – падение окружающего вещества на нейтронную звезду – был предложен Иосифом Самуиловичем Шкловским (1967) как объяснение природы самого яркого рентгеновского источника Sco X-1. Почти в то же время Николай Семенович Кардашев (1964) и итальянский астрофизик Франко Пачини (1967) нашли еще один источник энергии замагниченной нейтронной звезды – это запасенная во время коллапса ее вращательная энергия. Так нейтронные звезды, родившиеся на кончике пера, стали научной гипотезой, прямо подтвержденной после открытия радиопульсаров английским радиоастрономом Хьюишем (1968; Нобелевская премия 1971 года) и рентгеновских пульсаров (Риккардо Джиаккони, Нобелевская премия 2002 года).

После открытия двойного радиопульсара авcтралийскими радиоастрономами Аланом Халсом и Джозефом Тэйлором (Нобелевская премия 1993 года) стало ясно, что во Вселенной идут процессы столкновений нейтронных звезд, поскольку время слияния этой двойной было меньше ее возраста.

Процесс столкновения двух нейтронных звезд – этих сверхтяжелых атомных ядер – напоминает столкновение элементарных частиц в коллайдерах. Однако выделяющаяся энергия в этом своеобразном космическом коллайдере несравненно выше. Фактически, столкновение нейтронных звезд наряду со столкновением черных дыр, обнаруженных два года назад (открытие удостоено недавно Нобелевской премии по физике за 2017 год), представляет собой самый мощный процесс во Вселенной, сопровождающийся гравитационно-волновым импульсом. Именно поэтому Кип Торн – главный идеолог проекта – начал продвигать идею гравитационно-волнового детектора LIGO еще в 80-е годы.

Но сразу возник вопрос: как часто такие процессы идут во Вселенной? Говоря языком физики элементарных частиц, надо было рассчитать вероятность процессов столкновения релятивистских звезд во Вселенной: сечение самых мощных космических реакций.

Первые попытки оценить темп слияния нейтронных звезд в нашей Галактике, исходя из общих представлений об эволюции двойных систем вплоть до образования в них релятивистских звезд, оказались довольно приблизительными: 10^-4 – 10^-6 слияний в год. Почему? Потому что скорость слияний есть произведение большого числа трудно оцениваемых вероятностных коэффициентов наподобие формулы Дрейка для числа обитаемых планет в Галактике

К счастью, в начале 80-х годов, советские молодые астрофизики – только что окончившие аспирантуру ГАИШ МГУ Виктор Корнилов и Владимир Липунов – придумали новый теоретический метод исследования Вселенной – Машину Сценариев. Главная идея состояла в создании компьютерной модели нашей Галактики, а потом и Вселенной. В такой искусственной Вселенной постоянно рождались искусственные двойные системы, жизнь которых развивалась согласно нашим, быть может, не очень точным (а точная модель никем не создана до сих пор) теоретическим представлениям об эволюции двойных звезд. Причем начальные параметры двойных систем разбрасывались случайно, как говорят математики, методом Монте-Карло. Используя различные сценарии эволюции двойных звезд, молодые астрофизики, играя на этой компьютерной рулетке, прежде всего, пытались добиться подбора таких параметров эволюции, которые самым оптимальным образом объясняют наблюдаемые стадии эволюции двойных систем. То есть в создаваемой искусственной Вселенной должны на определенном этапе обязательно возникать объекты вроде Cyg X-1 – черная дыра в паре с голубым сверхгигантом.

Машина Сценариев эволюции двойных звезд на десятилетие обогнала западные исследования в этой области. Это случилась благодаря невиданной концентрации астрофизической мысли вокруг одного из создателей советского атомного оружия – академика и трижды героя Социалистического Труда, Якова Борисовича Зельдовича. Да и сам будущий идеолог проекта LIGO и теперь уже Нобелевский лауреат Кип Торн идею эту почерпнул на семинарах Зельдовича, к которому он регулярно приезжал с 60-х годов. Ведь идею гравитационно-волновой антенны придумали советские физики Пустовойт и Герценштейн в ранние 60-е годы. Здесь Кип Торн познакомился с Владимиром Борисовичем Брагинским, руководимая которым группа физиков физического факультета МГУ внесла неоценимый вклад в успех гравитационно-волнового эксперимента. (О вкладе советских ученых в открытие первых гравитационных волн 14 сентября 2015 года читайте здесь

http://www.pereplet.ru/lipunov/368.html#368

http://www.pereplet.ru/lipunov/372

.html#372.

Кип Торн в один из визитов узнал о новой разработке советских ученых и попросил посчитать вероятность столкновения двойных нейтронных звезд.

Так появился первый расчет вероятности столкновения нейтронных звезд в нашей Галактике. Оказалось, что каждые 10 000 лет такое явление должно происходить в нашем звездном доме. Это выяснилось в 1987 году, когда бывший аспирант Зельдовича, вместе уже со своими студентами и аспирантами создал новую Машину Сценариев. Теперь ничего не стоило подсказать Торну, до какого расстояния должна «добивать» его гравитационно-волновая антенна, чтобы он мог получить Нобелевскую премию за открытие гравитационных волн. Надо выбрать такое расстояние, чтобы внутри шара соответствующего радиуса было 10 000 галактик. Тогда хотя бы раз в год вы будете регистрировать гравитационные волны. Оказалось, что это происходит в сфере радиуса 20 Мегапарсек – 60 миллионов световых лет. Но лучше, конечно, получить хотя бы несколько событий в год, а для этого надо увеличить горизонт интерферометра хотя бы до 40 Мегапарсек – и вы получите несколько событий в год.

Схожую оценку аналитическими методами позже получили американец Хиллс и советские астрофизики Тутуков и Юнгельсон. А последнюю попытку получить скорость слияния простыми аналитическими оценками совершил в 1999 году Нобелевский лауреат, один из открывателей термоядерной солнечной энергии Ганс Бете (Нобелевская премия 1967 года).

***

Итак, 17 августа 2017 года в 12:41:04.44 всемирного времени Гравитационно-волновые обсерватории LIGO/VIRGO (США-Италия) зарегистрировали столкновение двух нейтронных звезд на расстоянии 120 миллионов световых лет от Земли.

Через две секунды гамма-обсерватории НАСА «Ферми» и ESA «Интеграл» зарегистрировали короткий импульс гамма-излучения – гамма-всплеск.

Примерно через десять часов камеры телескопа-робота МАСТЕР в Аргентине сняли галактику, в которой произошла катастрофа, а чуть позже телескопы МАСТЕРа и еще несколько американских телескопов в соседней Чили обнаружили новый объект 17.5 звездной величины.

Замечательно, что открытый через 12 часов после слияния в галактике NGC 4993 оптический объект ни по поведению, ни по яркости и спектру не был похож на любую из исследованных сверхновых. Полученные вскоре оптические спектры подтвердили, что оболочка килоновой разлетается со скоростью 100 000 километров в секунду, это треть скорости света, что соответствует второй космической скорости на поверхности нейтронных звезд.

Таким образом, 17 августа 2017 года астрономы и физики практически одновременно впервые наблюдали столкновение двух нейтронных звезд и его последствия в галактике NGC 4993 не только в гравитационно-волновом канале, но и в нескольких диапазонах электромагнитного излучения – гамма, рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом и инфракрасном.

Несмотря на уникальность этого события, многообразие экспериментальных данных позволяет уже прямо сейчас сделать важные теоретические выводы о происхождении двойных нейтронных звезд, их слиянии и сопутствующих вспышек электромагнитного излучения.

Имеется несколько причин, по которым ожидалось, что слияние нейтронных звезд должно сопровождаться электромагнитным излучением. На это впервые обратили советские астрофизики Сергей Иванович Блинников и Игорь Дмитриевич Новиков с соавторами в работе 1984 года. В 1998 году профессор Принстонского университета Богдан Пачинский со своим аспирантом заметили, что после столкновения нейтронных звезд часть ядерного вещества может быть выброшена обратно в космос. При этом нуклоны – протоны и нейтроны – почти мгновенно начнут соединяться в тяжелые радиоактивные атомы таблицы Менделеева. Их распад приведет к оптической вспышке через несколько часов после взрыва. Мощность этой вспышки будет слабее, чем вспышка сверхновой, но все-таки в тысячу раз ярче Новых звезд. Поэтому эти гипотетические тогда еще взрывы были названы «Килоновыми». Именно это явление впервые в истории астрономии достоверно было обнаружено 17 августа 2017 года!

В 12 часов 41 минуту 06.47 секунды мирового времени фон Клейнлин сообщил, что Gamma Burst Monitor (GBM) установленный на обсерватории Ферми, зарегистрировал короткий двухсекундный импульс – гамма-всплеск, – который случился через две секунды после регистрации гравитационно-волнового импульса.

Эти открытия и последовавшие наблюдения весьма достоверно показали, что 17 августа 2017 года астрономы впервые наблюдали столкновение двух нейтронных звезд и его последствия в галактике NGC 4993 не только в гравитационно-волновом канале, но и в нескольких диапазонах электромагнитного излучения – гамма, рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и инфракрасного диапазонов.

Открытие

Первая информация о возможных координатах места столкновения нейтронных звезд поступила с гравитационно-волновых антенн LIGO/VIRGO и огромного квадрата ошибок гамма-обсерватории Ферми в примерно полдень по всемирному времени. В этот момент ночь была только в Благовещенске, но по погодным условиям телескоп-робот МАСТЕР-Амур работать не мог. Шли часы, и ночная тень проходила по России, но, как назло, нигде не было погоды. Лишь в 17:06:47 UT (всемирное время), то есть через 4.42 часа после регистрации гравитационной волны, солнце зашло в Южной Африке, и наш телескоп МАСТЕР-SAAO (South Africa Astronomical Observatory) автоматически приступил к «инспекции» огромного (более тысячи квадратных градусов) небесного поля ошибок. Как выяснилось позже, галактика, в которой произошло событие, довольно быстро зашла за горизонт, и мы попросту не успели до нее «добраться». В это время пришла ночь на Канарские острова, где стоит такой же российский телескоп-робот МАСТЕР-IAC (IAC = Instituto Astrofisica di Canarias – Инcтитут Астрофизики Канарских островов).

В 20 часов 29 минут 26 секунд UT к делу подключился канарский телескоп. В этот момент мы уже знали окончательный (уточненный) квадрат ошибок – небольшой, размером около ста квадратных градусов, в южной полусфере, – но он был уже под горизонтом.

Надо сказать, что с 15 часов UT вся команда МАСТЕР и ее друзья плыла на пароходе по Москва-реке, наслаждаясь прекрасным московским вечером. Погрешу против истины, если не упомяну, что это был товарищеский ужин в честь конференции «Взрывающаяся Вселенная глазами роботов»

http://master.sai.msu.ru/ru/master2017/

Когда мы проплывали мимо колокольни Ивана Великого, Дмитрий Свинкин – участник конференции, представитель славного Физико-технического института имени Иоффе, шепнул мне на ухо, прочитав LVC GCN циркуляр: открыли столкновение нейтронных звезд!

Когда мы все вернулись по домам, Дмитрий Свинкин методом триангуляции уточнил предполагаемые координаты катастрофы и окончательное поле ошибок стало менее ста квадратных градусов. Мы уснули, даже не зная, что наш робот-телескоп МАСТЕР-ОАFA автоматически уже приступил к его наблюдению.

Первый снимок аргентинский МАСТЕР сделал через десять часов после столкновения и, как выяснилось позже, телескопы МАСТЕРа прошли мимо галактики NGC 4993. Однако наши камеры с полем зрения 380 квадратных градусов накрыли почти весь квадрат ошибок вместе с местом столкновения нейтронных звезд.

Ровно через час, за 6 секунд до исхода 17 августа 2017 по всемирному времени, телескопы МАСТЕР набрели на галактику, в которой случилось это историческое событие.

А поутру... проснувшись, мы прочли телеграмму с телескопа Swope, который снял килоновую в галактике NGC 4993, расположенной от Земли как раз на расстоянии 40 Мегапрсек. Наш телескоп ночью независимо обнаружил новый объект в галактике NGC 4993!

В следующую ночь мы уже не снимали вероятные участки звездного неба.

– Почему, ведь это могла быть обычная сверхновая звезда? – cпросили нас в редакции астрофизического журнала (Astrophysical Journal Letters), когда они прочитали это место в статье.

Мы добавили в статью пару фраз. Дело в том, что днем 18 августа появилась телеграмма, в которой очень просто оценивалась скорость расширения светящейся сброшенной оболочки, и она оказалась субсветовой ~ 1/3 скорости света. Это примерно в 10 раз больше, чем скорость расширяющейся самой быстрой оболочки сверхновой. Кроме того, ряд телескопов успел снять спектры – и оказалось, никогда ничего подобного астрономы не видели ни у сверхновых, ни у новых звезд. Это был настоящий Чернобыль! Сотни линий сверхтяжелых химических элементов!

Нам стало абсолютно понятно, что объект в NGC 4993 есть та самая килоновая, о которой впервые написал Богдан Пачинский и которая должна появиться после столкновения нейтронных звезд. И в следующие несколько ночей мы, как и десятки астрофизиков на десятках телескопов мира, просто снимали теперь уже знаменитый объект.

На третий день килоновая потухла, так что мы перестали ее видеть в наш сорокасантиметровый МАСТЕР – самый маленький телескоп, который не проиграл соревнование гигантам (был тут и четырехметровый телескоп VISTA).

А первым об открытии сообщила команда телескопа Swope. Его история интересна. Это 40-дюймовый (1 метр) телескоп, установленный в горах Чили в 1971 году и модернизированный для проведения обзора неба с целью открытия сверхновых звезд на южном небе. Назван он в честь астронома Генриеты Своп – соратницы великого астронома Вальтера Бааде, – которая финансировала этот проект.

Так было сделано величайшее открытие нового века в астрономии и физике.