Происхождение во Вселенной золота и других тяжелых элементов

Открытие гравитационных волн, исходящих от нейтронных звезд

Месяц назад, 16 октября, от гравитационно-волновых обсерваторий «LIGO», «Virgo» и целого ряда иных крупных международных научных групп поступило сообщение касательно крайне значимого для астрономии современности открытия. Свыше 70 обсерваторий, специализирующихся в плане всех диапазонов электромагнитного спектра, а ещё все 3 функционирующие гравитационно-волновые обсерватории в первый раз подробно продемонстрировали информацию касательно слияния двух звёзд нейтронного типа. В данном материале мы поведаем, что же именно увидели учёные и какие ответы касательно вопросов о нашей Вселенной были получены благодаря новому исследованию.

Как всё это было?

В этом году, 17 августа, в 15:41:04 по Москве детектор обсерватории «LIGO», находящейся в Хенфорде, что в Вашингтоне, уловил рекордно длинную волну гравитации. Сигнал длился приблизительно сто секунд. Это весьма большой временной промежуток, ведь прежние 4 фиксации волн гравитации длились не больше трёх секунд. В этом случае сработала автоматическая программ оповещения. Астрономами осуществлена проверка сведений, в результате чего было выявлено, что, оказывается, 2-ой детектор «LIGO», располагаемый в Луизиане, тоже уловил волну, но в этом же случае автоматический триггер не сработал ввиду краткосрочных шумов.

На 1,7 сек. позднее первого детектора, независимо от него же, сработала автоматическая система телескопов «Интеграл» и «Ферми», являющихся космическими гамма-обсерваториями, наблюдающими за одними из самых высокоэнергетических событий всей Вселенной. Приборами была зафиксирована яркая вспышка и приблизительно определены её же координатные данные. Вспышка же здесь длилась всего-навсего 2 сек. в отличие от сигнала гравитации. Примечательно, что российско-европейским «Интегралом» был замечен гамма-всплеск, так сказать, «боковым зрением», то есть «защитными кристаллами» главного детектора. Однако, это не стало помехой процессу триангуляции сигнала.

Приблизительно спустя час «LIGO» распространила информацию касательно потенциально возможных координатных данных источника волн гравитации. Установка данной области осуществилась за счёт того, что сигнал был замечен и детектором «Virgo». Задержки, с которыми устройства получали сигнал, сказали, что, скорее всего, источник располагается на юге, ведь сначала сигнал уловил «Virgo», а только после этого, как прошло 22 миллисекунды, его зафиксировала и обсерватория «LIGO». Изначально область, которую рекомендовали в целях поиска, доходила до 28 квадратных градусов. Этот показатель эквивалентен сотням лунных площадей.

На следующем этапе было осуществлено объединение информации гамма- и гравитационных обсерваторий в единое целое и начался поиск точного источника излучения. Физиками было инициировано в миг несколько оптических поисков, ведь и гамма-телескопы, и гравитационные обсерватории не давали возможности нахождения требуемой точки с высокой точностью.

Один из поисков осуществлялся посредством применения роботизированной системы телескопов под названием «МАСТЕР», которая была создана в ГАИШ МГУ.

Именно чилийский метровой телескоп «Swope» сумел найти среди тысяч потенциальных кандидатов требуемую вспышку. Он это сделал спустя 11 ч. после гравитационных волн. Астрономами была зафиксирована новая светящаяся точка в галактике «NGC 4993», находящейся в созвездии Гидры. Яркость данной точки была не выше 17 звёздной величины. Подобный объект находится в доступности для наблюдения с применением полупрофессиональных телескопов.

Спустя приблизительно час после этого, невзирая на «Swope», источник был найден ещё четырьмя обсерваториями, включая телескоп сети «МАСТЕР» из Аргентины. Затем же и началась глобальная наблюдательная компания, в которой задействовали телескопы Южной европейской обсерватории, такие знаменитые аппараты, как «Чандра» и «Хаббл», массив радиотелескопов VLA и ещё куча иных приборов. В совокупности за развитием событие наблюдали 70 учёных коллективов. Спустя 9 дней астрономы сумели добиться получения изображения в рентгеновском диапазоне, а через 16 же дней — даже в радиочастотном. Через какое-то время светило стало ближе к галактике, а в сентябре же наблюдения оказались невозможными.

Почему произошёл взрыв?

Столь характерную картину взрыва во множестве электромагнитных диапазонов предсказали и описали уже давно. В ней показывается столкновение двух звёзд нейтронного типа, являющихся ультракомпактными объектами, состоящими из нейтронной материи.

Учёные утверждают, что масса звёзд нейтронного типа доходит до 1,1 и 1,6 солнечной массы, что в сумме даёт 2,7. Впервые волны гравитации образовались при достижении расстояния между объектами в 300 км.

Неожиданным оказалось малое расстояние от данной системы до нас. Оно равнялось 130 млн. световых лет, а ведь это всего лишь в 50 раз больше, нежели расстояние от нас до туманности Андромеды, а также практически на порядок наоборот меньше расстояния от нас до чёрных дыр, которые столкнулись, как нам показывают «LIGO» и «Virgo». Также столкновение это выступили самым близким к нам источником короткого гамма-всплеска.

Что представляют собой звёзды нейтронного типа?

Эти уникальные звёзды формируются при так называемых коллапсах гигантов и сверхгигантов, имеющих массы, в 10-25 раз превышающие солнечную массу. Как можно описать их рождение? Вначале на определённом этапе масса звёздного ядра становится выше предела Чандрасекара, равного 1,4 массы Солнца. В этот момент как раз происходит нарушение равновесия между ядерной гравитацией, которая притягивает внешний слой звезды, и давлением электронов, которое выступает препятствием для процесса сжатия. Звезда же начинает сжатие, то есть коллапсирование. Показатели плотности и температуры ядерного вещества внезапно повышаются, протоны начинают захватывать электроны в результате чего образуются нейтроны, и при этом происходит выброс нейтрино. Спустя определённого время ядро уже почти полностью представляет собой множество нейтронов.

Энергетические выбросы, возникающие вследствие протон-электронных соединений, приводят к разрыву звёздной оболочки и уносят её же материал. Таким образом, возникает как раз взрыв сверхновой. В результате мы видим плотное ядро, имеющее тонкую оболочку и состоящее из нейтронов. Показатель плотности звезды нейтронного типа огромен. Его находят только через давление вырожденных нейтронов. Он доходит до значения 4–6×1017 кг/м3. Одна капля нейтронной материи, равная 0,030 миллилитра, по весу превышает десяток млн. т. Это сравнимо с сотней доверху загруженных поездов грузового назначения. В то же время характерные размеры таких звёзд не так уж велики — всего где-то около 10 км. в одном дм. Отметим, что такая звезда может быть помещена даже в московской Третье транспортное кольцо.

Помимо большого показателя плотности, у звёзд такого типа имеются мощные магнитные поля. Индукция их достигает тысячи-триллионы тесла, а ведь земное магнитное поле не превышает по этому показателю и 0,065 тесла. У части таких звёзд после взрыва появляется большой угловой момент. Таким образом образуются такие уникальные объекты, как пульсары.

В настоящее время учёные не пришли ещё к единой картине устройства нейтронной материи. Не было ещё построено специальное уравнение её состояния. Вместе с тем есть информация, что у «Нейтрония» имеются такие свойства, как сверхтекучесть и сверхпроходимость.

Двойные же звёзды нейтронного типа знают уже с 1974 г. Одна из подобных систем в то время была открыта нобелевскими лауреатами Расселом Халсом и Джозефом Тейлором. Но все известные двойные такие звёзды всё ещё были расположены в нашей же галактике, а стабильности их орбиты хватало, чтобы они не соударились друг с другом на протяжении обозримых миллионов лет. Новая пара звёзд была сближена настолько, что это запустили процесс взаимодействия, а там и переноса вещества.

Событие назвали килоновой. Если говорить дословно, это выглядит так, что яркость вспышки была приблизительно в тысячу раз большей по мощности, нежели обычные вспышки новых звёзд, являющихся двойными системами, где компактный компаньон занимается перетягиванием на себя же материи.

Полное собрание сведений уже даёт возможность учёным считать данное событие ураеугольным камнем будущей гравитационно-волновой астрономии. Результаты обработки информации заложили основу в написание в течение двух месяцев примерно 30 статей в популярных журналах. Таким образом, 7 статей опубликовали в «Nature», 7 — в «Science», а другие же работы были обнародованы в «Astrophysical Journal Letters» и прочих изданиях научной тематики. В качестве соавторов одной из данных статей выступило 4600 астрономов из совершенно разных коллабораций. Это число астрономов составляет свыше трети астрономов по всему миру.

Итак, мы дошли до ключевых вопросов, на которые учёные со всей серьёзности сумели дать настоящий ответ.

Что способствует запуску коротких гамма-всплесков?

Гамма-всплески являются одними из самых высокоэнергетических явлений во всей Вселенной. По мощности один такой всплеск достигает такого значения, что за секунды способно выбросить в окружающую среду энергию, равную по количеству солнечной, генерируемой в течение десятка млн. лет. Принято разделять короткие гамма-всплески от длинных. В то же время считают, что это совершенно разные по своему принципу явления. Например, в качестве источника длинных всплесков выступают коллапсы звёзд огромных масс.

В качестве же источника коротких гамма-всплесков, согласно некоторым предположениям, считают слияния звёзд нейтронного типа. Но всё ещё не было прямых подтверждений этим предположениям. Новые же наблюдения уже являются весьма веским в настоящее время доказательством существования данного механизма.

Как во Вселенной возникают золото и прочие тяжёлые элементы?

Нуклеосинтез является слиянием звёздных ядер в самих светилах. Этот процесс даёт возможность получения огромного спектра химических элементов. В случае лёгких ядер реакции слияния проходят с выделением энергии. В общем данные реакции являются энергетически выгодными. Для элементов же, масса которых примерно как и масса железа, выигрыш в энергетическом плане уже не столь значителен. По этой причине в звёздах практически не возникают элементы, масса которых превышает массу железа. В качестве исключения можно выделить взрывы сверхновых. Однако, их отнюдь не достаточно для объяснения распространённости золота, урана, лантанидов и прочих тяжёлых элементов, образуемых по всей Вселенной.

Стоит вспомнить, что ещё в 1989 г. физиками было сделано предположение, что здесь в процессе поучаствовал r-нуклеосинтез, происходящий в слияниях звёзд нейтронного типа. Более подробно касательно этой информации можно вычитать в блоге специалиста в сфере астрофизики Марата Мусина. Доселе о данном процессе говорили лишь в теории. Теперь же всё изменилось.

Спектральные исследования нового события говорят об отчётливых следах возникновения тяжёлых элементов. Таким образом, спектрометры, огромный телескоп «VLT» и знаменитый «Хаббл» помогли астрономам в обнаружении наличия в космосе золота, цезия, платины и теллура. Ещё имеются свидетельства возникновения сурьмы, ксенома и иода. Физики привели оценочную информацию, в которой говорится, что после столкновения был произведён выброс общей массы лёгких и тяжёлых элементов, равной 40 массам Юпитера. Одно ли золото, как говорят теоретические модели, возникает столько, что это равно приблизительно 10 массам Луны.

Чему равна константа Хаббла?

Экспериментальная оценка скорости расширения Вселенной может проводиться посредством специальных «стандартных свечей», являющихся объектами, для которых известен показатель абсолютной яркости. Это означает, что соотношение между показателями абсолютной яркости и видимой позволяет сделать заключение о дальности их нахождения. Скорость расширения на такой дистанции от наблюдателя находится с применением доплеровского смещения, к примеру, водородных линий. Роль «стандартных свечей» взяли на себя роль, к примеру, сверхновые Ia типа, являющиеся «взрывами» белых карликов. Стоит добавить, что именно на их выборке и доказали факт расширения Вселенной.

Константа Хаббла же позволяет задать линейную зависимость показателя скорости расширения Вселенной на этой дистанции. Каждое из независимых определений её значения даёт возможность быть уверенными в принятой ныне космологии.

Источники волн гравитации тоже выступают как так называемые «стандартные свечи». По-иному их называют ещё «сиренами». Характер волн гравитации, создаваемые этими свечами, позволяет независимо определить дистанцию до них. Именно это и было использовано астрономами в одной из своих новых работ. Результат приравнивается и с прочими независимыми измерениями, а именно основанными на реликтовом излучении и на наблюдениях за гравитационно-линзированными объектами. Константа приблизительно остаётся равной 62-82 км. в сек. на мегапарсек. Это значит, что две галактики, что удалены на 3,2 млн. световых лет, в среднем имеют разбег со скорость в 70 км/с. Новые же слияния звёзд нейтронного типа дадут возможность увеличения точности данной оценки.

Как "устроена" гравитация?

Всеми принятая ныне общая теория относительности точно предсказывает поведение волн гравитации. Но квантовая же теория гравитации всё ещё не была разработана. Существует некоторое число гипотез касательно того, как «устроена» гравитация. Они представлены в виде теоретических конструкций с большим числом неизвестного рода параметров. Одновременное наблюдение электромагнитного излучения и волн гравитации даст возможность выявить и сделать несколько уже границы для данных параметров, а ещё отбросить какие-то гипотезы, признанные несостоятельными.

Например, существует факт того, что волны гравитации возникли за 1,7 сек. до гамма-квантов. Это как раз и говорит, что они в действительности расходятся со скоростью света. Также саму величину задержки можно применить в целях проверки принципа эквивалентности, что лежит в основе ОТО.

Как устроены звёзды нейтронного типа?

Нам известно строение таких звёзд только в общих чертах, поверхностно. Они имеют кору, состоящую из тяжёлых элементов, а также ядро, в основе которого, как мы и сказали выше, лежат нейтроны. Однако, мы всё ещё не знаем уравнения состояния нейтронной материи в самом ядре. А ведь это важно, так как именно это поможет понять, что же было образовано во время столкновения, наблюдавшегося астрономами.

Как и по отношению к белым карликам, так и к звёздам нейтронного типа мы можем применить понятие критической массы. При превышении данной массы есть риск начала процесса коллапса. По мере того, превысила ли масса нового тела критическую отметку или же нет, имеется несколько вариантов последующего развития событий. Если суммарно масса будет излишне большой, объект внезапно станет коллапсировать в чёрную дыру. Если же масса несколько меньше, есть риск возникновения неравновесной быстровращающейся звезды нейтронного типа, которая так же с течением времени коллапсирует в чёрную дыру. В качестве альтернативы здесь можно рассмотреть образование магнетара. Это быстровращающаяся звезда нейтронного типа, имеющая огромное магнитное поле. Видимо, магнетар не был образован в столкновении, и учёные не сумели зафиксировать сопутствующее ему излучение рентгеновского типа.

Владимир Липунов, являющийся руководителем сети «МАСТЕР», ныне информации не хватает для выяснения, что же там возникло вследствие слияния. Но астрономы уже собираются предоставить несколько теорий и планируют выложить их на публику в ближайшие дни. Вероятно, благодаря будущим слияниям звёзд учёные сумеют выявить искомую критическую массу.

Валерий Митрофанов, являющийся профессоров физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, высказался, что в обозримом будущем они (учёные) ожидают регистрации волн гравитации и от прочих источников, например, от непрерывных источников излучения, стохастических волн и гравитационного реликтового излучения, но для таких целей потребуется существенное повышение чувствительности детекторов. Также он отметил, что ещё весьма интересно на сегодняшний день заниматься поисков новых неизведанных источников.