GW 170817 — сигнал гравитационной волны (GW), наблюдавшийся детекторами LIGO и Virgo 17 августа 2017 года и исходивший из оболочки эллиптической галактики NGC 4993 . Сигнал был произведен последними моментами процесса спирали двойной пары нейтронных звезд , завершившегося их слиянием . Это первое наблюдение GW, подтвержденное негравитационными методами. [1] [2] В отличие от пяти предыдущих обнаружений ГВ, которые касались слияния черных дыр и, следовательно, не должны были производить обнаруживаемый электромагнитный сигнал [3] — последствия этого слияния были замечены по всему электромагнитному спектру 70 обсерваториями на 7 континентах и в космосе, что ознаменовало значительный прорыв в мультимессенджерной астрономии . [1] [2] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Открытие и последующие наблюдения GW 170817 были удостоены награды «Прорыв года» за 2017 год по версии журнала Science . [6] [10]
Сигнал гравитационной волны, обозначенный GW 170817, имел продолжительность около 100 секунд и демонстрировал характерную интенсивность и частоту, ожидаемую от спирали двух нейтронных звезд. Анализ небольшого изменения времени прибытия GW в трех местоположениях детекторов (два LIGO и один Virgo) позволил определить приблизительное угловое направление источника . Независимо от этого короткий (длительностью около 2 секунд) гамма-всплеск , обозначенный GRB 170817A , был обнаружен космическими аппаратами Ферми и ИНТЕГРАЛ , начавшийся через 1,7 секунды после сигнала слияния GW. [1] [5] [11] Эти детекторы имеют очень ограниченную направленную чувствительность, но указывают на большую область неба, которая перекрывает положение гравитационной волны. Давно существовала гипотеза о том, что короткие гамма-всплески вызваны слиянием нейтронных звезд.
Затем была проведена интенсивная наблюдательная кампания по поиску ожидаемого излучения в оптических длинах волн. Астрономический транзиент , обозначенный AT 2017gfo (первоначально SSS 17a ), был обнаружен через 11 часов после сигнала гравитационной волны в галактике NGC 4993 [8] во время поиска области, указанной обнаружением GW. В течение следующих дней и недель его наблюдали многочисленные телескопы, от радио до рентгеновского диапазона, и было показано, что оно представляет собой быстро движущееся и быстро остывающее облако богатого нейтронами материала, как и ожидалось от обломков, выброшенных нейтронами. -звездное слияние.
В октябре 2018 года астрономы сообщили, что GRB 150101B , событие гамма-всплеска, обнаруженное в 2015 году, может быть аналогом GW 170817. Сходство между двумя событиями с точки зрения гамма-излучения , оптического и рентгеновского излучения, а также Что касается природы связанных родительских галактик , они считаются «поразительными», и это замечательное сходство предполагает, что два отдельных и независимых события могут быть оба результатом слияния нейтронных звезд, и оба могут быть до сих пор неизвестным классом килоновых звезд . переходные процессы. Таким образом, по мнению исследователей, события Килоновой могут быть более разнообразными и распространенными во Вселенной, чем считалось ранее. [12] [13] [14] [15] Оглядываясь назад, GRB 160821B, еще одно событие гамма-всплеска, теперь рассматривается как еще одна килоновая звезда , [16] из-за сходства ее данных с AT2017gfo, частью мультимессенджера. теперь обозначается GW170817. В декабре 2022 года астрономы предположили, что килоновые также могут быть обнаружены в долговременных гамма-всплесках. [17] [18]
Впервые мы наблюдаем катастрофическое астрофизическое событие как в гравитационных, так и в электромагнитных волнах – наших космических посланниках. [19]
Райтце Д. , исполнительный директор LIGO
О наблюдениях было официально объявлено 16 октября 2017 года на пресс-конференциях в Национальном пресс-клубе в Вашингтоне, округ Колумбия , и в штаб-квартире ESO в Гархинге, близ Мюнхена , Германия. [5] [11] [8]
Некоторая информация просочилась еще до официального объявления, начиная с 18 августа 2017 года, когда астроном Дж. Крейг Уилер из Техасского университета в Остине написал в Твиттере: «Новый LIGO. Источник с оптическим аналогом. Снеси свой носок!». [7] Позже он удалил твит и извинился за то, что украл официальный протокол объявления. Другие люди поддержали этот слух и сообщили, что в публичных журналах нескольких крупных телескопов указаны приоритетные перерывы для наблюдения за NGC 4993 , галактикой, расположенной на расстоянии 40 Мпк (130 Mly ) в созвездии Гидры . [9] [20] Ранее сотрудничество отказалось комментировать слухи, не добавив к предыдущему заявлению о том, что анализируются несколько триггеров. [21] [22]
Сигнал гравитационной волны длился примерно 100 секунд, начиная с частоты 24 герца . Он охватывал около 3000 циклов, увеличиваясь по амплитуде и частоте до нескольких сотен герц в типичном спиральном чирикании и заканчиваясь столкновением, полученным в 12:41:04.4 UTC . [2] : 2 Сначала он прибыл к детектору Virgo в Италии, затем через 22 миллисекунды к детектору LIGO-Ливингстон в Луизиане, США, и еще через 3 миллисекунды к детектору LIGO-Хэнфорд в штате Вашингтон, в Соединенные Штаты. Сигнал был обнаружен и проанализирован путем сравнения с предсказанием общей теории относительности , определенным на основе постньютоновского расширения . [1] : 3
Автоматический компьютерный поиск в потоке данных LIGO-Hanford вызвал предупреждение для команды LIGO примерно через 6 минут после события. Предупреждение о гамма-излучении уже было выпущено в этот момент (через 16 секунд после события), [23] поэтому почти совпадение по времени было автоматически отмечено. Команда LIGO/Virgo передала предварительное предупреждение (с указанием только приблизительной позиции гамма-излучения) астрономам последующих групп через 40 минут после события. [24] [25]
Локализация события на небе требует объединения данных трех интерферометров; это было задержано двумя проблемами. Данные Virgo были задержаны из-за проблемы с передачей данных, а данные LIGO Ливингстона были загрязнены кратким всплеском инструментального шума за несколько секунд до пика события, но сохранялись параллельно с нарастающим переходным сигналом на самых низких частотах. Это требовало ручного анализа и интерполяции, прежде чем местоположение неба можно было объявить примерно через 4,5 часа после события. [26] [25] Три обнаружения локализовали источник на площади 31 квадратный градус в южном небе с вероятностью 90%. Позже более детальные расчеты уточнили локализацию с точностью до 28 квадратных градусов. [24] [2] В частности, отсутствие четкого обнаружения системой Virgo подразумевало, что источник находился в одном из слепых пятен Virgo; отсутствие сигнала в данных Virgo способствовало значительному уменьшению зоны сдерживания источника. [27]
Первым обнаруженным электромагнитным сигналом был GRB 170817A, короткий гамма-всплеск , обнаруженный1,74 ± 0,05 с после времени слияния и продолжается около 2 секунд. [11] [9] [1] : 5
GRB 170817A был обнаружен космическим гамма-телескопом Ферми с автоматическим предупреждением, выданным всего через 14 секунд после обнаружения GRB. Спустя 40 минут после циркуляра LIGO/Virgo ручная обработка данных гамма-телескопа INTEGRAL также обнаружила тот же гамма-всплеск. Разница во времени прибытия между Ферми и ИНТЕГРАЛом помогла улучшить локализацию неба.
Этот гамма-всплеск был относительно слабым, учитывая близость родительской галактики NGC 4993 , возможно, из-за того, что его джеты были направлены не прямо на Землю, а под углом около 30 градусов в сторону. [8] [28]
Другим астрономам была выдана серия предупреждений, начиная с отчета об обнаружении гамма-лучей и триггере LIGO с одним детектором в 13:21 UTC и о местоположении на небе с тремя детекторами в 17:54 UTC. [24] Это побудило к массовым поискам со стороны многих обзорных и роботизированных телескопов . Помимо ожидаемого большого размера области поиска (примерно в 150 раз превышающей площадь полной луны ), этот поиск был трудным, поскольку область поиска находилась недалеко от Солнца на небе и, таким образом, была видна не более нескольких часов после наступления сумерек . любой данный телескоп. [25]
Всего шесть команд («Один метр», «Два полушария» (1M2H), [29] DLT40, VISTA , Master, DECam и обсерватория Лас-Кумбрес (Чили)) независимо друг от друга сфотографировали один и тот же новый источник за 90-минутный интервал. [1] : 5 Первой, кто обнаружил оптический свет, связанный со столкновением, была команда 1M2H, проводившая обзор сверхновых Swope , которая обнаружила его на изображении NGC 4993, сделанном через 10 часов и 52 минуты после события GW [11] [1] [30] с помощью телескопа Своуп диаметром 1 метр (3,3 фута), работающего в ближнем инфракрасном диапазоне в обсерватории Лас Кампанас , Чили. Они также были первыми, кто объявил об этом, назвав свое обнаружение SSS 17a в циркуляре, выпущенном через 12 часов 26 минут после события. [29] Позже новому источнику было присвоено официальное обозначение Международного астрономического союза (МАС) — AT 2017gfo .
Команда 1M2H обследовала все галактики в области космоса, предсказанной наблюдениями гравитационных волн, и выявила один новый переходный процесс. [28] [30] Определив родительскую галактику слияния, можно определить точное расстояние, соответствующее расстоянию, основанному только на гравитационных волнах. [1] : 5
Обнаружение оптического и ближнего инфракрасного источника обеспечило огромное улучшение локализации, снизив неопределенность с нескольких градусов до 0,0001 градуса; это позволило многим крупным наземным и космическим телескопам следить за источником в течение следующих дней и недель. В течение нескольких часов после локализации было проведено множество дополнительных наблюдений в инфракрасном и видимом спектрах. [30] В последующие дни цвет оптического источника менялся с синего на красный по мере расширения и охлаждения источника. [28]
Были обнаружены многочисленные оптические и инфракрасные спектры; Ранние спектры были почти безликими, но через несколько дней появились широкие черты, указывающие на материал, выброшенный со скоростью примерно 10 процентов скорости света. Есть несколько убедительных доказательств того, что AT 2017gfo действительно является последствием GW 170817. Эволюция цвета и спектры резко отличаются от любой известной сверхновой. Расстояние до NGC 4993 соответствует независимо оцененному по сигналу GW. Никаких других транзиентов в области локализации неба GW обнаружено не было. Наконец, различные архивные изображения, сделанные до события, ничего не показывают в местоположении AT 2017gfo, что исключает наличие переменной звезды на переднем плане в Млечном Пути. [29]
Источник был обнаружен в ультрафиолете (но не в рентгеновских лучах) через 15,3 часа после события миссией Swift Gamma-Ray Burst Mission . [4] [6] После первоначального отсутствия рентгеновского и радиообнаружения источник был обнаружен в рентгеновских лучах 9 дней спустя [31] с помощью рентгеновской обсерватории Чандра , [32] [33] и 16 дней спустя в радио [34] с использованием очень большой антенной решетки Карла Дж. Янски (VLA) в Нью-Мексико . [8] Источник наблюдали более 70 обсерваторий, охватывающих электромагнитный спектр . [8]
Радио- и рентгеновское излучение продолжало расти в течение нескольких месяцев после слияния [35] и, по имеющимся сведениям, уменьшалось. [36] Астрономы сообщили о получении оптических изображений послесвечения GW170817 с помощью космического телескопа Хаббл . [37] [38] В марте 2020 года обсерватория Чандра наблюдала продолжающееся рентгеновское излучение на уровне 5 сигм через 940 дней после слияния, что потребовало дальнейшего дополнения или опровержения предыдущих моделей, которые ранее были дополнены дополнительными апостериорными вмешательствами. . [39]
В ходе последующих поисков нейтринных обсерваторий IceCube и ANTARES, а также обсерватории Пьера Оже не было обнаружено нейтрино, соответствующих источнику . [2] [1] Возможное объяснение необнаружения нейтрино заключается в том, что событие наблюдалось под большим внеосевым углом и, таким образом, выходящая струя не была направлена к Земле. [40] [41]
Сигнал гравитационной волны указывал на то, что он возник в результате столкновения двух нейтронных звезд [9] [20] [22] [42] общей массой2,82+0,47
−0,09раз больше массы Солнца ( солнечные массы M ☉ ). [2] Если предположить низкие спины , соответствующие тем, которые наблюдаются у двойных нейтронных звезд , которые сольются в течение хаббловского времени , то общая масса будет равна2,74+0,04
−0,01 М ☉ .
Массы составляющих звезд имеют большую неопределенность. Более крупный ( m 1 ) с вероятностью 90% окажется между1,36 и 2,26 M ☉ , а меньший ( m 2 ) с вероятностью 90% находится между0,86 и 1,36 М ☉ . [43] В предположении о низком вращении диапазоныот 1,36 до 1,60 М ☉ для м 1 иОт 1,17 до 1,36 M ☉ на м 2 в радиусе 12 км. [44]
Масса чирпа , непосредственно наблюдаемый параметр, который можно очень грубо приравнять к среднему геометрическому масс, измеряется при1.188+0,004
−0,002 М ☉ . [43]
Полная энергия гравитационной волны составляет ≃63 Фоэ . [45]
Происхождение и свойства (масса и спин) двойной нейтронной звездной системы, такой как GW170817, являются результатом длинной последовательности сложных взаимодействий двойных звезд. [46]
Считается, что слияние нейтронных звезд приводит к образованию сферически расширяющейся килоновой звезды , [47] [48] , характеризующейся коротким гамма-всплеском, за которым следует более продолжительное оптическое «послесвечение», вызванное радиоактивным распадом тяжелых ядер r -процесса . Килоновые являются кандидатами на производство половины химических элементов тяжелее железа во Вселенной. [8] Считается , что в общей сложности образовалось количество тяжелых элементов, в 16 000 раз превышающее массу Земли , включая примерно 10 масс Земли только из двух элементов: золота и платины. [49]
Считалось, что изначально образовалась гипермассивная нейтронная звезда, о чем свидетельствует большое количество выбросов (большая часть которых была бы поглощена немедленно формирующейся черной дырой). Отсутствие доказательств того, что выбросы вызваны замедлением вращения нейтронной звезды, что могло бы произойти с нейтронными звездами, живущими дольше, позволяет предположить, что она коллапсировала в черную дыру в течение миллисекунд . [50]
В одном из поисков было заявлено, что обнаружено свидетельство гравитационно-волнового сигнала от остатка нейтронной звезды или черной дыры, [51] энергия которого была ниже расчетной чувствительности поисковых алгоритмов LIGO в то время [52] и недавно была подтверждена статистически независимый метод анализа, выявляющий центральный двигатель GRB170817A. [53]
Научный интерес к этому событию был огромным: в день объявления были опубликованы десятки предварительных статей (и почти 100 препринтов [55] ), в том числе 8 писем в Science , [8] 6 в Nature и 32 в специальном выпуске The Письма в астрофизическом журнале , посвященные этой теме. [56] Интерес и усилия были глобальными: статья, описывающая наблюдения с несколькими мессенджерами [1] , написана в соавторстве почти 4000 астрономов (около одной трети мирового астрономического сообщества) из более чем 900 учреждений, использующих более 70 обсерваторий на на всех 7 континентах и в космосе. [7] [8]
Возможно, это не первое наблюдаемое событие, вызванное слиянием нейтронных звезд; GRB 130603B была первой вероятной килоновой , предложенной на основе последующих наблюдений коротких и сильных гамма-всплесков . [57] Однако это, безусловно, лучшее наблюдение , что делает его самым убедительным на сегодняшний день доказательством, подтверждающим гипотезу о том, что некоторые слияния двойных звезд являются причиной коротких гамма-всплесков. [1] [2]
Событие также обеспечивает ограничение на разницу между скоростью света и скоростью гравитации. Если предположить, что первые фотоны были испущены между нулем и десятью секундами после пикового излучения гравитационных волн, разница между скоростями гравитационных и электромагнитных волн, v GW − v EM , ограничивается значениями от −3×10 −15 до +7×10 −. В 16 раз превышает скорость света, что улучшает предыдущую оценку примерно на 14 порядков. [43] [58] [a] Кроме того, это позволило исследовать принцип эквивалентности (посредством измерения задержки Шапиро ) и лоренц-инвариантность . [2] Пределы возможных нарушений лоренц-инвариантности (значения «коэффициентов гравитационного сектора») благодаря новым наблюдениям уменьшены до десяти порядков. [43] GW 170817 также исключил некоторые альтернативы общей теории относительности , [59] включая варианты скалярно-тензорной теории , [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66 ] [67] Хоржава– Гравитация Лифшица , [63] [68] [64] Эмуляторы темной материи, [69] и биметрическая гравитация , [70] Кроме того, в анализе, опубликованном в июле 2018 года, с использованием GW170817 было показано, что гравитационные волны распространяются через 3+1-мерное пространство-время, в соответствует общей теории относительности и противоречит гипотезе «утечки» в высшие измерения пространства. [71]
Сигналы гравитационных волн, такие как GW 170817, могут использоваться в качестве стандартной сирены для независимого измерения постоянной Хаббла . [72] [73] Первоначальная оценка константы, полученная на основе наблюдений, равна70,0+12,0
−8,0 (км/с)/Мпк, что в целом соответствует лучшим текущим оценкам . [72] Дальнейшие исследования улучшили измерение до70,3+5,3
−5,0 (км/с)/Мпк. [74] [75] [76] Вместе с наблюдением за будущими событиями такого рода неопределенность, как ожидается, достигнет двух процентов в течение пяти лет и одного процента в течение десяти лет. [77] [78]
Электромагнитные наблюдения помогают поддержать теорию о том, что слияния нейтронных звезд способствуют быстрому нуклеосинтезу захвата нейтронов ( r -процессу ) [30] — ранее предполагалось, что он связан со взрывами сверхновых — и, следовательно, являются основным источником элементов r -процесса тяжелее железа . 1] , включая золото и платину. [49] Первая идентификация элементов r -процесса при слиянии нейтронных звезд была получена во время повторного анализа спектров GW170817. [79] Спектры предоставили прямое доказательство образования стронция во время слияния нейтронных звезд. Это также стало самым прямым доказательством того, что нейтронные звезды состоят из материи, богатой нейтронами. С тех пор в выбросах было идентифицировано несколько элементов r -процесса, включая иттрий , [80] лантан и церий . [81]
В октябре 2017 года Стивен Хокинг в своем последнем телеинтервью представил общую научную значимость GW170817. [82] В сентябре 2018 года астрономы сообщили об исследованиях возможных слияний нейтронных звезд (NS) и белых карликов (WD): включая слияния NS-NS, NS-WD и WD-WD. [83]
Оптические и ближние инфракрасные спектры, полученные за эти несколько дней, предоставили убедительные аргументы в пользу того, что этот переходный процесс не похож ни на один другой, обнаруженный в обширных оптических исследованиях в широком поле за последнее десятилетие.
Последующие наблюдатели приступили к действиям, не ожидая обнаружить сигнал, если гравитационное излучение действительно возникло в результате слияния двойных черных дыр.
[...] большинство наблюдателей и теоретиков согласились: наличие хотя бы одной нейтронной звезды в двойной системе было предпосылкой для образования кругового диска или выброса нейтронной звезды, без которого не ожидалось никакого электромагнитного аналога.
поскольку сталкивающиеся черные дыры не излучают свет, вы не ожидаете появления оптического аналога.
ограничить R1=11,9+1,4-1,4 км и R2=11,9+1,4-1,4 км на уровне достоверности 90%.
мы сообщаем о возможном обнаружении расширенного излучения (EE) гравитационного излучения во время GRB170817A: нисходящего чирпа с характерным временным масштабом
τ
s
=
3,01 ± 0,2 с в (H1,L1)-спектрограмме до 700 Гц с гауссовым эквивалентным уровнем достоверности более 3,3 σ, основанным только на причинно-следственной связи после обнаружения границ, примененного к (H1,L1)-спектрограммам, объединенным совпадением частот.
Редко когда рождение новой области астрофизики связывают с каким-то единичным событием.
Этот основной выпуск следует за таким событием – слиянием двойной нейтронной звезды GW 170817 – ознаменовавшим первое совместное обнаружение и исследование гравитационных волн (ГВ) и электромагнитного излучения (ЭМ).