Слияние двух нейтронных звёзд в представлении художника. Искажения решётки пространства-времени изображают гравитационные волны, испущенные при столкновении, а узкие лучи – это джеты гамма-излучения, выстреливающие через несколько секунд после гравитационных волн (астрономы видят их как вспышки гамма-лучей)
17 августа, после путешествия длительностью в 130 млн лет, сигнал в виде гравитационных волн от двух нейтронных звёзд, двигавшихся навстречу друг другу по спирали на последних этапах слияния, прибыл на Землю. После столкновения поверхностей двух звёзд сигнал резко завершился, и наступила тишина. И хотя эти останки звёзд диаметром, возможно, всего в 20 км, двигались со скоростью порядка 30% от световой, сразу после столкновения мы не увидели ничего. И только 1,7 с спустя прибыл первый сигнал: свет в виде гамма-лучей. Откуда задержка? Отличный вопрос, заданный нашим читателем:
Давайте обсудим важность разницы в 1,7 с между временем прибытия гравитационных волн и вспышки гамма-лучей во время последнего события с нейтронными звёздами.
Давайте посмотрим, что мы увидели, и попробуем понять, откуда берётся эта задержка.
Нейтронные звёзды во время слияния почти одновременно могут испускать гравитационные волны и электромагнитные сигналы. Но подробности слияния довольно туманны, и теоретические модели не совсем точно совпадают с наблюдениями.
Во время сближения нейтронных звёзд перед слиянием гравитационные волны становятся всё сильнее. В отличие от слияния чёрных дыр тут нет никакого горизонта событий и сингулярности в центре. У нейтронных звёзд существует твёрдая поверхность, на 90% состоящая из нейтронов, и на 10% — из ядер других атомов (и электронов), расположенных на поверхности. Предсказано, что при столкновении двух таких поверхностей должна происходить неконтролируемая ядерная реакция, в результате чего происходит:
- Выброс огромного количества материи, во много раз превышающего по массе Юпитер.
- Формирование центрального сколлапсировавшего объекта, скорее всего, чёрной дыры, причём всего через несколько сотен миллисекунд, если говорить о массах, задействованных в описываемом событии.
- Ускорение и выброс материала, окружающего сливающиеся объекты.
Нам известно, что при слиянии двух нейтронных звёзд, симуляция чего изображена на картинке, они испускают джеты гамма-лучей и вызывают иные электромагнитные явления. Но на вопрос, почему гамма-всплеск произошёл через 1,7 с после гравитационного слияния, пока ещё не дано однозначного ответа.
Благодаря наблюдениям с более чем 70 телескопов и спутников в спектрах от гамма-излучения до радиоволн, мы теперь знаем, что именно в таких процессах и порождается большая часть тяжёлых элементов таблицы Менделеева. Мы знаем, что в результате слияния, скорее всего, появилась быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая спустя долю секунды схлопнулась в чёрную дыру. И мы знаем, что первый электромагнитный сигнал этого слияния – высокоэнергетические гамма-лучи – прибыли через 1,7 с после окончания гравитационных сигналов. На временной шкале в 130 млн лет это означает, что скорости гравитационных волн и света равны с погрешностью в 10-15.
В последние моменты слияния две нейтронных звезды не просто излучают гравитационные волны, но и претерпевают катастрофический взрыв, отзывающийся по всему электромагнитному спектру. Разница в прибытии между светом и гравитационными волнами позволяет нам многое узнать о Вселенной.
Но почему гамма-лучи опоздали? Почему они не пришли в то же самое время, что и гравитационные волны? Есть два возможных варианта:
- Гамма-лучи были испущены через 1,7 с после первого контакта поверхностей нейтронных звёзд.
- Гамма-лучи были испущены почти сразу, но задержались при прохождении окружающей место событий материи.
Подвох в том, что истинный ответ может оказаться комбинацией обоих факторов или маловероятной альтернативой, включающей экзотическую физику (небольшое отличие в скорости гравитационных и электромагнитных волн). Давайте посмотрим, как могли разыгрываться оба варианта.
Во время сближения по спирали и слияния двух нейтронных звёзд должен происходить выход огромного количества энергии, а также появление тяжёлых элементов, гравитационных волн и электромагнитных сигналов
Задержка в появлении гамма-излучения: когда сталкиваются две нейтронные звезды, они испускают гамма-лучи. Ведущей теорией на протяжении уже 20 лет по поводу появления в небе коротких вспышек гамма-излучения было столкновение нейтронных звёзд – и эта теория получила потрясающее подтверждение при наблюдении события GW170817. Но где именно появляются гамма-лучи?
- На поверхности нейтронных звёзд.
- Из-за столкновения выброшенной материи с окружающей материей.
- В ядрах нейтронных звёзд.
Если верен какой-то из двух последних вариантов, тогда гамма-лучи должны были задержаться. На слияние, выброс материала, столкновение его с окружающей материей, испускание высокоэнергетической материей гамма-лучей – на всё это требуется время. Если материя расположена на значительном расстоянии от нейтронной звезды, например, в десятках или сотнях тысяч километров, это весьма просто объяснило бы задержку.
Если же гамма-лучи появляются не на поверхности, а внутри сталкивающихся нейтронных звёзд, задержка тоже должна быть, поскольку свету потребуется время на то, чтобы преодолеть толщу звезды и выйти на поверхность. Гравитационные волны не задерживаются при проходе через плотную материю, а свет задерживается. Это было бы очень похоже на наши наблюдения за сверхновой в 1987 г, когда нейтрино (не задерживающиеся при прохождении сквозь материю) прибыли за четыре часа до первого светового сигнала, поскольку свет задержался, проходя сквозь большое количество материи. Любое из этих объяснений может стать причиной задержки гамма-лучей.
Быстрая вспышка гамма-лучей, причиной которой давно считается слияние нейтронных звёзд. Богатое газом окружение может задерживать прибытие сигнала.
Мгновенное испускание, но задержка в прибытии: другой основной вариант. Даже если гамма-лучи испускаются стразу же, им необходимо пройти через богатое материей окружение нейтронной звезды. А оно будет богато материей, поскольку из-за очень большой скорости движения нейтронных звёзд и огромных магнитных полей, испускаемых ими, материал обязательно будет выброшен в космос во время их сближения и слияния. Их совместный танец длится очень долго, поэтому вокруг них должно собираться много материи, через которую свет должен пройти перед тем, как дойдёт до наших глаз. Достаточно ли там материи для того, чтобы задержать свет на 1,7 с? Её может быть столько – и это ещё один из главных вариантов.
Пульсар в Парусах, как и все пульсары, представляет собой пример трупа нейтронной звезды. Довольно часто её таким образом окружают газ и материя, и вещество, окружающее нейтронные звёзды, участвовавшие в GW170817, могут отвечать за задержку света.
Чтобы получить правильный ответ, необходимо изучить варианты событий для разных сочетаний масс: общая масса до 2,5 солнечных (в результате чего вы получаете стабильную нейтронную звезду); от 2,5 до 3 солнечных масс (как в том событии, что мы видели – временно возникает нейтронная звезда, превращающаяся затем в чёрную дыру); свыше 3 солнечных масс (сразу возникает чёрная дыра); а также измерить световые сигналы. Мы сможем узнать больше, если заранее определим начало фазы спирального сближения и сможем направить инструменты в нужную точку за какое-то время перед слиянием. Поскольку LIGO/Virgo и другие детекторы гравитационных волн заработали и стали более чувствительными, эти действия будут получаться у нас всё лучше и лучше.
Остатки сверхновой 1987а, расположенной в Большом Магеллановом облаке в 165 000 световых лет. То, что нейтрино прибыли за много часов перед первым световым сигналом, больше рассказало нам о времени, которое требуется свету для проникновения слоёв сверхновой, чем о скорости движения нейтрино, неотличимой от скорости света
Экзотические идеи, вроде разных скоростей у гравитации и света, для объяснения этого наблюдения совершенно не нужны. Задержку в 1,7 с можно объяснить, используя несколько идей, не отходящих от традиционной физики. Гравитационные волны просто проходят через материю без сопротивления, а свет взаимодействует с ней, будучи электромагнитной волной, и это может привести к совершенно различным результатам. По сравнению со сверхновыми, порождающие гамма-лучи нейтронные звёзды крохотные, поэтому для полного и точного описания этого эффекта необходимо будет хорошо разобраться в том, как проходит этот катаклизм на очень малых временных промежутках. Теоретики наперегонки стремятся понять происходящее, данные у нас уже есть. И следующее подобное событие может всё поменять.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Автор: Вячеслав Голованов
