Палеоастрономия: как астрофизики используют свет и гравитационные волны для изучения происхождения нейтронных звёзд
У археологов, палеоантропологов, палеонтологов и других специалистов, работа которых связана с изучением истории происхождения жизни на Земле, предков человека и нашей собственной цивилизации, есть множество вспомогательных инструментов. Но что делать астрономам, которые изучают историю происхождения самой Вселенной? Объекты, которые они исследуют, чаще всего нельзя потрогать, рассмотреть с разных сторон или хотя бы прибыть на место обнаружения для дальнейшего изучения.
В этом случае задействуются «инструменты», предоставленные самой Вселенной, включая свет и гравитационные волны. Именно с их помощью удалось восстановить историю «жизни» двух слившихся нейтронных звёзд, обнаруженных астрофизиками в 2017 году в далёкой-далёкой галактике NGC 4993. Подробности — под катом.
Что именно удалось обнаружить?
17 августа 2017 года астрофизики стали свидетелями редкого события — столкновения двух нейтронных звёзд (объект GW170817). Отголоски удалось уловить как раз благодаря гравитационным волнам, гамма-всплеску и свету, дошедшим до Земли спустя миллионы лет после самого столкновения. Благодаря этому, в частности, установлены текущие массы виновников «аварии» — 1,1 и 1,6 масс Солнца. Также подтверждена гипотеза, которая гласит, что такие столкновения порождают более тяжёлые, чем водород или гелий, элементы — например, платину, золото и т. п.
Гравитационные волны зафиксированы благодаря детектору, который заработал в 2016 году. В GW170817 за 100 секунд до столкновения нейтронные звёзды находились на расстоянии примерно 400 километров друг от друга, проходя полный круг по орбите примерно 12 раз в секунду. Чем больше сближались объекты, тем выше была их скорость, а амплитуда и частота гравитационных волн увеличивались. Всё это продолжалось до полного слияния звёзд в единый объект. Стоит подчеркнуть, что всё это удалось выяснить именно благодаря детектору.
Есть и другие результаты наблюдений: учёным удалось узнать, что до столкновения обе звезды были значительно тяжелее Солнца. Масса первой звезды составляла от 13 до 24 солнечных масс, а второй — от 10 до 12. Родились они очень давно — от 5 до 12,5 млрд лет назад.
Эти звёзды взаимодействовали и раньше, задолго до того, как они превратились в нейтронные звёзды. Когда-то давно они стали соседями, находясь всего в нескольких десятках миллионов километров друг от друга. По космическим меркам это почти ничего, меньше, чем расстояние от Земли до Солнца. С течением времени одна звезда поглотила атмосферу другой, точнее, их внешние оболочки слились в единую общую оболочку.
Всё это учёные смогли узнать, изучив не только полученные в 2017 году данные наблюдений за событием, но и факты, данные, полученные при изучении других звёзд и галактик ранее. Специалисты создали масштабную звёздную модель, в которую вошло свыше 250 000 типов светил с данными по их температуре, химическому составу и другим характеристикам. В модели задействовались данные о том, как быстро звёзды разных видов «сжигают» своё топливо и умирают, во что превращаются после основной стадии своего существования.
Что ещё?
Для того чтобы раскрыть прошлое двух нейтронных звёзд, коллектив учёных работал над проверкой нескольких моделей взаимодействия «соседей» друг с другом. Наиболее вероятный сценарий заключался в том, что звёзды несколько раз обменивались внешней оболочкой атмосферы, что привело к постепенному замедлению их вращения и сближению, а также появлению общей внешней оболочки.
Особо стоит выделить то, что работа над изучением процесса слияния нейтронных звёзд была бы невозможна без накопленной за предыдущие десятилетия информации. Более того, модель, разработанная учёными, базируется на другой модели, которая была создана лет 15 назад и постепенно совершенствовалась. А она, в свою очередь, использует в качестве основы ещё одну модель из 70-х годов прошлого века. Вся эта работа иллюстрирует то, как работает «механизм науки» — целые поколения учёных добавляют всё новые и новые данные, делают собственный вклад, пусть и небольшой. Но всё это служит единой цели — созданию надёжных методов изучения происхождения Вселенной.
Новая работа — open source, так что исследователи из других стран и научно-исследовательских организаций могут без проблем использовать наработки для собственных целей. По мнению авторов проекта, созданную модель можно использовать не только для исследования нейтронных звёзд, но и для изучения механизма появления сверхновых. Возможно, модель поможет уточнить не только нюансы эволюции Вселенной, но и подробности происхождения химических элементов, включая золото, уран и т. п.
Кстати, модель, разработанная учёными, позволяет выявлять наиболее вероятные места слияния других звёзд — как раз по распределению химических элементов в различных регионах Вселенной.
Зачем всё это?
В целом, ответ прост: чтобы получить новые данные об эволюции Вселенной. В частности, если найти ещё несколько подобных систем, то можно более точно рассчитать как возраст Вселенной, так и скорость её расширения. Учёные планируют изучить сначала гравитационные волны, чтобы выяснить точное расстояние от Земли до таких систем.
Затем благодаря свету, дошедшему до нашей планеты от этих объектов, узнать их скорость. И уже используя эти данные, уточнить скорость расширения Вселенной. Это крайне важно, поскольку сейчас есть две противоречивые модели расширения Вселенной. Если удастся получить новые уточнённые данные, то станет понятно, какая из моделей соответствует действительности. Ну или выяснится, что есть ещё и третий вариант, который не совпадает с остальными двумя.
Так выглядит обсерватория LIGO, где зафиксировали гравитационные волны — инструмент для изучения Вселенной
Двойные нейтронные звёзды, находящиеся в процессе слияния, не редкость. Один из многочисленных примеров — двойной пульсар Тейлора-Халса, открытый в 1974 году. На протяжении 40 лет астрономы наблюдали за тем, как две звезды медленно сближаются по спирали. Примерно через 300 миллионов лет они столкнутся, после чего возникнет сигнал, подобный тому, что зафиксирован LIGO в 2017 году.
Что касается гравитационных волн, то их обнаружением и изучением занимается Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) США. Сейчас она завершает этап модернизации оборудования, который продолжался несколько лет. Работу лаборатория возобновит уже в конце мая 2023 года, после чего учёные надеются идентифицировать не менее 10 слияний нейтронных звёзд в год. По словам учёных, следующие несколько лет должны быть просто захватывающими!
