Ученые обнаружили пульсации в пространстве и времени, вызванные потенциально новым классом столкновений во вселенной. Загадка, которую Эйнштейн озвучил 100 лет назад, получила ответ из обсерватории

Когда в 2017 году было подтверждено столкновение нейтронных звезд, это открытие дало ответ на давнюю загадку о происхождении большинства тяжелых элементов во вселенной

Ученые вероятно наткнулись на ранее неизвестный класс массированных столкновений во вселенной.

В понедельник, на прошлой неделе, исследователи из лазерной-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) объявили, что они снова обнаружили пульсации в пространственно-временном континууме. Они предполагают, что эти особые волнения в ткани вселенной, которые наблюдались в апреле 2019 года, произошли в результате столкновения двух нейтронных звезд — сверхплотных остатков мертвых звезд.

Это могло бы стать вторым столкновением нейтронных звезд, которое когда-либо наблюдалось, но оно сильно отличалось от предыдущего.

После того, как обнаружили первое столкновение в 2017 году, телескопы развернули в направлении этого открытия на небе. Ученые имели возможность изучить его последствия в видимом свете, радиоволнах, рентгеновских лучах и гамма-лучах. А на этот раз они не обнаружили никаких признаков столкновения, кроме его пульсаций в пространстве-времени.

Это заставило астрофизиков задаться вопросом, а не открыли ли они совершенно новый класс катастрофических событий в глубоком космосе — тот, в котором нейтронные звезды встречаются и немедленно пропадают в черной дыре, не оставляя следов.

Предсказания Эйнштейна указали ученым на новые события в космосе

Пульсации в пространстве-времени называются гравитационными волнами. Они обычно происходят из-за отдаленных столкновений между массивными объектами, такими как черные дыры и нейтронные звезды. Альберт Эйнштейн был первым, кто предсказал это явление, но он не думал, что гравитационные волны когда-либо будут обнаружены. Они казались слишком слабыми, чтобы уловить их на Земле среди всего шума и вибраций.

В течение 100 лет казалось, что Эйнштейн был прав.

Но, в конце 1990-х годов, обсерватории LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) были специально построены в Вашингтоне и Луизиане, для того, чтобы уловить сигналы, которые, по мнению Эйнштейна, мы не должны были никогда обнаружить.

Наконец, в сентябре 2015 года, после 13 лет молчания, LIGO обнаружили первые гравитационные волны: сигналы от слияния двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Это событие положило начало новой области астрономии и было награждено Нобелевской премией по физике, которую дали трем исследователям, создавшим концепцию LIGO.

С тех пор LIGO и их партнер из Италии Virgo зарегистрировали два других типа столкновений. Обсерватории обнаружили гравитационные волны от двух нейтронных звезд, слившихся в октябре 2017 года, а в августе 2019 года, LIGO и Virgo обнаружили, по мнению ученых, черную дыру, поглощающую нейтронную звезду.

Волны, которые LIGO зарегистрировал в апреле, скорее всего, возникли в результате другого столкновения двух нейтронных звезд, на расстоянии около 520 миллионов световых лет. Это примерно в четыре раза дальше, чем в 2017 году.

Virgo не распознал эти гравитационные волны (вероятно, из-за расстояния) и только самый чувствительный детектор LIGO в Луизиане смог их обнаружить. Его спутник в Вашингтоне был временно отключен для технической проверки на тот момент.

В результате, ученые не смогли получить никакой дополнительной информации, кроме расстояния между нейтронными звездами и их массой. Они подсчитали, что нейтронные звезды в 3,4 раза больше массы Солнца — гораздо более массивные, чем ученые представляли возможным.

И еще кое-что странное: ученые не видели гамма-лучей, радиационных сигналов, которые, как предполагается, могут быть обнаружены через несколько секунд после гравитационных волн, вызванных слиянием нейтронных звезд.

Это новый класс массивных космических столкновений?

Ученые предполагали, что нейтронные звезды столкнутся при взрывах высоких энергий, и в результате произойдет образование тяжелых элементов, вспышка яркого света и гамма-излучение. Этот взрыв известен как «килоновая», потому что он примерно в 1000 раз ярче «новой» (яркой вспышки, излучаемой новорожденными звездами).

Но гамма-лучи загадочным образом пропали после столкновения и никакие телескопы не заметили яркий свет.

«Мы находимся в неопределенном положении, не зная, почему мы не наблюдали  килоновую: потому что её действительно не было или просто не зарегистрировали, потому что она была слишком далеко», — сказал Business Insider Мартин Хендри, ученый из LIGO и астрофизик из Университета Глазго.

Ученые полагают, что возможное объяснение заключается в том, что столкнувшиеся нейтронные звезды были настолько массивными, что они сразу же упали в черную дыру. Такое предположение высказал астрофизик Итан Сигел в статье Forbes.

«Возможно, при превышении определенного порога массы слияния, нейтронные звезды с большей массой просто попадают под влияние друг друга и направляются прямо в черную дыру, поглощая всю материю, связанную с ними, не производя тяжелых элементов и не испуская дальнейших наблюдаемых сигналов вообще», — пишет Сигел.

Если это правда, это может означать, что столкновения между нейтронными звездами малой массы, которые производят килоновые, имеют резко отличные результаты, чем столкновения между массивными нейтронными звездами, которые могут вообще не взорваться.

В этом случае, недавно наблюдаемое слияние нейтронных звезд, представило бы совершенно новый класс катастрофических столкновений.

«Очень долгое время у нас был нулевой размер выборки, а теперь у нас есть размер выборки два, — сказал Хендри. — Таким образом, возникает заманчивый вопрос о том, действительно ли они являются двумя разными классами или это просто мы наблюдаем все больше и больше столкновений и как бы заполняем континуум».

Сотни планет Земля из золота и платины

Когда в 2017 году было подтверждено столкновение нейтронных звезд, это открытие дало ответ на давнюю загадку о происхождении большинства тяжелых элементов во вселенной.

Ученые обнаружили, что в результате взрыва образовалось примерно 50 земных масс серебра, 100 земных масс золота и 500 земных масс платины

Одно только золото стоило около 100 октиллионов долларов США по рыночной цене 2017 года, или, прописью, 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 долларов.

Часть ядерной алхимии, называемая быстрым процессом, или r-процессом, ответственна за создание этих металлов.

Это происходит так: когда нейтронные звезды движутся навстречу друг другу, крошечные кусочки их материала попадают в космос с невероятной скоростью. Эти нейтроны обычно обладают высокой температурой и многочисленностью, поэтому они сталкиваются друг с другом, перемещаясь наружу, образуя гигантские атомные ядра. Очень большие атомы крайне нестабильны, поэтому они почти сразу разрушаются и распадаются на более мелкие атомы — такие как платина, золото, серебро и даже йод.

«Однако, если бы нейтронные звезды в ходе недавнего столкновения исчезали прямо в черной дыре, как предполагают некоторые астрономы, не было бы никакого r-процесса, и столкновение не образовало бы золото или платину», — сказал Хендри.

Астрономы смогут улавливать новые столкновения каждый день к середине 2020-х

Чтобы с большей точностью обнаруживать гравитационно-волновые явления, исследователи оснастили детекторы LIGO и Virgo большим количеством технических обновлений. В декабре 2019 года они установили устройство, которое сжимает свет, позволяя LIGO регистрировать на 50% больше.

«К середине этого десятилетия мы можем всерьез рассчитывать на такие открытия практически каждый день», — сказал Хендри.

Большинство гравитационных волн, наблюдаемых до сих пор, возникали в результате столкновений между двумя черными дырами. Но развитие технологий может означать, что ученые будут улавливать десятки слияний нейтронных звезд каждый год.

Строящаяся японская обсерватория, детектор гравитационных волн Камиока (KAGRA), также поможет ученым сузить источник происхождения гравитационных волн до более конкретных точек на небе.

KAGRA была построена под землей и будет использовать зеркала с криогенным охлаждением, чтобы защитить чувствительные инструменты от обнаружения ложных сигналов. Планируется, что детектор подключится в сети к 30 апреля, но прежде ученым необходимо будет отрегулировать его настройки и только тогда он сможет полностью присоединиться к охоте за гравитационными волнами к концу года.

Ожидается, что еще одна обсерватория, LIGO (Индия), присоединится к глобальной сети в 2025 году.

Вместе, эти новые и усовершенствованные инструменты обнаружения, смогут помочь ученым определить, действительно ли существуют различные классы катастрофических столкновений нейтронных звезд в космосе.

«Нам нужно провести наблюдение большой выборки активности нейтронных звезд, — сказал Хендри. — Слишком рано говорить об этом только после второго слияния, но как только у нас будет несколько десятков или больше, тогда мы сможем начать работать со статистикой»

Источник: Business Insider