Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

С начала августа Бранчези, готовясь к третьему наблюдательному сеансу, мысленно уже была в будущем: в 2019 году впервые после модернизации все три детектора будут достаточно долго работать совместно. Днем 16 августа на международном семинаре по гравитационным волнам выступила астрофизик Самая Ниссанке, коллега Бранчези из Амстердамского университета. В своем докладе она говорила о перспективах многоканальной астрономии. Ниссанке сказала слушателям, что в 2020-х годах наблюдение слияния нейтронных звезд будет достаточно рутинным событием. После выступления к ней подошел коллега из Индии Бала Айер, член INDIGO – консорциума индийских физиков, специалистов по поиску гравитационных волн. Его интересовало, когда это произойдет впервые. Ниссанке предложила пари: до конца 2019 года интерферометры зафиксируют слияние нейтронных звезд. Потребуется чуть больше двух лет. А ровно через день, проснувшись, узнала, что ее предсказание уже сбылось.

Когда гравитационная волна проходит через Землю, детектор фиксирует крошечную разницу во времени возвращения отраженных лазерных лучей. Тогда компьютерные программы LIGO и Virgo автоматически загружают эту информацию в специальную базу данных о кандидатах в гравитационно-волновые события. Сразу после полудня 17 августа 2017 года системы LIGO отметили именно такое событие, выдав предупреждение, что это может быть слияние двух нейтронных звезд. Вероятность ложной тревоги была исключительно мала: суммарная масса двух объектов составляла только 2,7 массы Солнца, что гораздо легче черной дыры звездной массы, но прямо соответствует известным значениям масс двойных нейтронных звезд (системы, состоящей из двух гравитационно связанных нейтронных звезд в процессе слияния). Программа, кроме того, сигнализировала, что с вероятностью 100 % это событие доступно для наблюдения в электромагнитном спектре.

Согласно расчетам системы, слияние произошло сравнительно близко от Земли – на расстоянии примерно 130 миллионов световых лет. Большая удача, поскольку в тот момент чувствительности LIGO не хватило бы для регистрации события на большем расстоянии. Волна дошла до Virgo в 12:41:04 по всемирному координированному времени[4] и на 22 миллисекунды позже до детектора LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана. Еще через три миллисекунды она коснулась плеч детектора в Хэнфорде, штат Вашингтон21.

Коди Мессик, физик из Университета штата Пенсильвания, был первым человеком, получившим в тот день предупреждение LIGO. Он оказался одним из так называемых первых респондентов – его работа состояла в проверке сигналов, сообщавших о возможных кандидатах на столкновение черных дыр или нейтронных звезд. В случае подтверждения ему следовало оповестить остальных участников астрономической команды. Было начало девятого, он только проснулся и планировал взять на день отпуск: что-то произошло с шеей. В 8:43, добравшись до телефона, он увидел предупреждение LIGO – прошло ровно две минуты после того, как волна накрыла Землю. Сначала Мессик почувствовал досаду, поскольку сигнал, похоже, уловил только детектор в Хэнфорде – обычно алгоритмы LIGO оповещают в реальном времени только о тех событиях, которые регистрируют оба детектора. Однако система пометила возможное слияние как очень значительное событие, что и привлекло его внимание. Он написал руководителю своей диссертационной работы Чаду Ханну. Тот немедленно ответил, что предупреждение послал и телескоп Fermi', ровно через 1,7 секунды после прихода гравитационной волны он зарегистрировал в том же месте короткий двухсекундный гамма-всплеск. Было ли это оптическим аналогом слияния тех же двух космических объектов – другими словами, наблюдением того же события в электромагнитном спектре?

Сразу же Ханн и еще не снявший пижаму Мессик устроили телеконференцию с магистрантами своего университета, чтобы проверить данные на предмет ошибок. Все быстро согласились, что ничего очевидно неправильного в сигнале нет, и решили оповестить остальных членов сообщества LIGO/Virgo. Это поручили сделать Мессику, поскольку, вспоминает он, Ханна “так трясло от волнения, что печатать он не мог”. На какое-то мгновение они были единственными в мире людьми, которые знали, что произошло.

Именно сообщение Мессика высветилось на телефоне Бранчези, когда она уже собиралась прилечь после долгой ночи, проведенной в госпитале с сестрой и ее новорожденным сыном. В считаные минуты к телеконференции присоединились другие участники. Возбуждение охватило всех, но второй детектор в Ливингстоне не отметил это событие, поэтому было много сомневающихся. Как потом оказалось, причина крылась в сбое системы: какая-то техническая ошибка (возможно, покачивание зеркала) привела к появлению шума, замаскировавшего сигнал от гравитационной волны. Однако, когда на диаграммы посмотрели невооруженным глазом, стало очевидно, что сигнал на самом деле был зарегистрирован: он длился около шести минут, тогда как сбой, заставивший программу игнорировать волновой сигнал, продолжался всего несколько миллисекунд. Теперь данные подтвердили оба детектора LIGO.

Тем временем ученые из группы Virgo тоже поняли, что их прибор зафиксировал исторический сигнал – слабый, но не оставляющий сомнений. “Люди были так возбуждены, что не могли остановиться и во время телеконференции всё говорили и говорили, – рассказывает Бранчези. – Это было какое-то безумие”.

Вскоре в разговор включились астрономы со всего света. “Хотя я знал, что делать этого не следует, я отошел на минутку, чтобы позвонить жене и отцу. Мне не терпелось сообщить им эти потрясающие новости”, – рассказывает Мессик. Онлайн-чат телеконференции разрывался от требований разослать во все оптические обсерватории GCN-циркуляр, чтобы немедленно начать последующие наблюдения. (GCN-циркуляр – информация о местоположении гамма-всплеска, которую направляют всем заинтересованным лицам и организациям, если вспышку обнаруживают различные космические аппараты.) Бранчези и ее коллеги потратили десять лет на создание “многоканального” сообщества, и вот теперь их работа готова была принести плоды.

Всего через сорок минут после того, как LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационный сигнал, в 13:21:42 по всемирному координированному времени, GCN-циркуляр попал в электронные почтовые ящики астрономов, разбросанных по всему миру. Чтобы увидеть последствия космического катаклизма, случившегося в далеком прошлом, за считаные часы пришли в действие телескопы-роботы, развернулись обзорные телескопы22. Наступила эра многоканальной астрономии.

Очень скоро началось состязание в скорости: астрономы по всему миру бросились к системам управления телескопами. Они хотели первыми увидеть столкновение в оптическом диапазоне. Хотя и не все были на низком старте. Наблюдательный сеанс LIGO подходил к концу, и Райан Фоли из Калифорнийского университета в Санта-Крузе решил, что может расслабиться. Он спокойно пил пиво со своим партнером в копенгагенском парке Тиволи, когда неожиданно получил сообщение от Дэйва Колтера – коллеги, вернувшегося домой в Калифорнию. Прочтя сообщение, Фоли немедленно извинился перед своим другом, попрощался и бросился к велосипеду. Ему не терпелось начать последующие наблюдения с помощью метрового телескопа Henrietta Swope в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Пять часов ушло на сопоставление начальных координат, предоставленных LIGO и Virgo, и как можно более точное определение местоположения события. Через одиннадцать часов после прихода гравитационной волны команда Фоли идентифицировала яркую вспышку в ближней инфракрасной области спектра в той точке неба, которую определили детекторы гравитационных волн. После этого Фоли отправил короткое сообщение своей коллеге Джесс Макайвер, просто сообщив: “Думаю, я нашел”. Получив первое оптическое изображение, команда Фоли выиграла гонку. Впоследствии оптический аналог этого гравитационного события назвали Swope Supernova Survey 2017а (SSSi/a)23.

Но и другие не слишком отстали. Особенно загруженными оказались телескопы в горах чилийской пустыни Атакама. Отключившись от столь многолюдной телеконференции с обсерваторией LIGO, Бранчези бросилась звонить своим коллегам из GRAWITA. Это объединение, входящее в итальянский Национальный институт астрофизики, было образовано специально для того, чтобы дополнять данные LIGO наблюдениями в разных областях электромагнитного спектра – радио-, оптическом, ближнем инфракрасном и рентгеновском диапазонах, а также в интервале частот, соответствующих гамма-излучению24.

Всего через тринадцать часов после прихода гравитационной волны астрономы GRAWITA, направив на место события телескоп REM в обсерватории Ла-Силья в пустыне Атакама, получили в оптическом диапазоне изображение взрыва при столкновении нейтронных звезд.

Несколько команд слегка задержались на старте. Уже прошло около часа после оповещения Мессика, а гарвардский астроном Эдо Бергер все еще сидел у себя в кабинете, пытаясь не заснуть на скучном и монотонном заседании кафедры. Крепкий кофе из университетского кафетерия не помогал. Когда его мобильный телефон зазвонил, он отключил звук. Тогда начал звонить телефон у него на столе. Коллеги прервали заседание, и Бергер поднял трубку: “Что случилось?”

Бергер слушал, и его брови поднимались все выше и выше. Он положил трубку, объявил, что совещание окончено, и буквально вытолкал всех из кабинета. В течение следующих нескольких минут Бергер быстро просмотрел поток сообщений и электронных писем, включая первое официальное автоматическое предупреждение LIGO с оценкой координат события, выглядевшего как столкновение двух нейтронных звезд. Похоже, LIGO зарегистрировал его ровно в тот момент, когда Бергер забирал свой кофе.

Благодаря “многоканальным” усилиям Бранчези и ее сторонников Бергер, как другие ученые и около семидесяти телескопов по всему миру, готов был действовать. Пришло время внимательно “присмотреться” к последствиям слияния нейтронных звезд. Поскольку космический телескоп Fermi оповестил о зарегистрированном всплеске гамма-излучения, Бергер знал: есть очень большая вероятность того, что это событие будет заметно и на других длинах волн. Сейчас ему нужна его команда, и быстро.

Кейт Александер только проснулась у себя в квартире в Бостоне. Она заканчивала аспирантуру и в команде Бергера отвечала за наблюдения в радиодиапазоне. Еще в постели Кейт увидела сообщение LIGO. Затем она увидела сообщение Бергера, где в строке “Тема” стояло: “Встречаемся у меня в кабинете через пять минут!” Три минуты на душ – и бегом в кампус. В десять, ровно через два часа после регистрации слияния, она вбежала в кабинет Бергера.

План разработали совместно с несколькими коллегами: чтобы определить местоположение и приступить к изучению источника, они используют оптический телескоп. Предлагалось следить за радиоактивным свечением килоновой, то есть облаком выброшенных при взрыве осколков нейтронных звезд. В этом облаке должны присутствовать тяжелые элементы, созданные, а затем выброшенные при столкновении. Они видны во всем электромагнитном спектре. “Мы были очень возбуждены и старались не дать возбуждению помешать нам делать то, что следовало”, – рассказывала Александер.

При любых наблюдениях в электромагнитном спектре, надеетесь ли вы зарегистрировать видимый свет, радиосигналы или сигналы любых других длин волн, важно знать, в какую точку неба следует направить телескоп. К счастью, с помощью Virgo стало возможно определить местоположение источника сигнала. Без Virgo “окно ошибки” – вероятная область, в которой расположен источник сигнала, – было бы слишком велико для каких-либо целенаправленных оптических наблюдений. Все же координаты, предоставленные LIGO и Virgo, не могли настолько сузить область поиска, чтобы была возможность определить хотя бы галактику, где произошло столкновение. Они только указывали, что событие произошло в определенной области неба, площадь которой примерно в сто пятьдесят раз превышает площадь полной Луны.

Чтобы сузить окно наблюдения, Александер, Бергер и их коллеги прежде всего выбрали прибор для наблюдений – мощную оптическую камеру DEC am (Dark Energy Camera, “камера темной энергии”), установленную на телескопе Victor М. Blanco в Чили.

Управляя этой камерой из Гарварда, они быстро, снимок за снимком, осмотрели очень большую область неба. Им понадобился час, чтобы обнаружить галактику на расстоянии 130 миллионов световых лет, в которой они заметили яркий источник, раньше там не виденный, – галактику NGС 4993 в созвездии Гидра. Бергер говорит, что это напоминает крестик, очень точно отмечающий нужное место. Позже выяснилось, что их команда определила точное местоположение источника через несколько минут после SWOPE, а затем к финишу пришли телескопы обзорного проекта DLT40, входящие в обсерваторию Лас-Кумбрес в Панаме, VISTA из Паранальской обсерватории в Атакаме, MASTER в России и многие другие.

Взволнованный Бергер позвонил Метцгеру – человеку, теоретически предсказавшему существование килоновой в 2014 году. Волнение Метцгера описать трудно, особенно после того, как он обнаружил, что светимость и цвет килоновой точно совпадают с его расчетами. Это означало, что идет радиоактивное затухание тяжелых элементов, синтезированных во время слияния. Цвет облака радиоактивных осколков ярко-голубой – значит, оно, как кончики языков пламени газовой плиты, невероятно горячее. Несколько дней облако постепенно гасло, а телескопы по всему миру внимательно отслеживали все его оттенки. По мере остывания выброшенного материала облако из синего постепенно становилось темно-красным. Астрономы смогли детально изучить спектр (химические “отпечатки пальцев”) килоновой. Стало понятно, что многие тяжелые элементы, включая золото, платину и серебро, образуются при таких столкновениях. Так была решена загадка возникновения этих элементов.

Команда Бергера хотела получить еще и фантастические снимки килоновой в диапазоне более коротких длин волн. Чтобы провести измерения в ультрафиолетовом диапазоне, они подали заявку на работу с космическим телескопом “Хаббл”. Каждая длина волны “сообщает” что-то новое, и астрономы в тот момент пытались получить всю возможную информацию. Обычно, чтобы получить доступ к телескопу “Хаббл”, требуется позаботиться об этом заранее и ждать несколько недель. Но ситуация была экстраординарной, и время выделили из “резерва директора”. Заявка содержала всего два абзаца. По словам Бергера, это, возможно, самая короткая из всех когда-либо написанных заявок. В ней просто говорилось, что их группа впервые обнаружила электромагнитное излучение, сопровождающее слияние двойной нейтронной звезды, и им нужно иметь возможность увидеть его в ультрафиолетовом свете. Заявку одобрили, и Бергер с сотрудниками получил возможность провести наблюдения всего через пять дней после обнаружения гравитационных волн. А еще через девять дней космический рентгеновский телескоп Chandra

Примечания