Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

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 увидел первые явные сигналы слияния в рентгеновском диапазоне.

После рентгеновского диапазона, с самого края электромагнитного спектра, располагается диапазон гамма-лучей – самого высокоэнергетического из известных нам излучений. Когда две нейтронные звезды сталкиваются, большая часть их вещества сливается, образуя один объект, и, скорее всего, под действием собственной гравитации происходит его быстрый коллапс в черную дыру. Однако какая-то часть вещества на большой скорости уносится наружу в виде джета, иначе говоря, узкой струи гамма-частиц, разлетающихся со скоростью, близкой к скорости света[5]. Именно этот очень короткий всплеск гамма-излучения зарегистрировал космический гамма-телескоп Fermi менее чем через две секунды после регистрации гравитационных волн LIGO и Virgo.

Впервые гамма-вспышки этого типа были зафиксированы 2 июля 1967 года двумя американскими спутниками Vela 5 и Vela 4. Сначала ученые ошибочно приняли их за последствия испытаний ядерного оружия в Советском Союзе. Потребовалось десять лет наблюдений, чтобы стало понятно: источник этих гамма-вспышек, которые могут длиться от нескольких миллисекунд до нескольких часов, находится в далеком космосе. Сверхкороткие вспышки, продолжающиеся менее двух секунд, назвали гамма-всплесками25. Всплески, обнаруженные телескопом Fermi, подтвердили наконец давний вывод теоретиков: слияние нейтронных звезд может быть источником коротких гамма-всплесков (SGRB), которые, как считают ученые, являются наиболее мощными взрывами во Вселенной.

С другого конца электромагнитного спектра находится область очень длинных волн. Речь идет о радиоволнах. Традиционно нейтронные звезды и черные дыры наблюдают с помощью радиоантенн, и для анализа последствий слияния использовались десятки таких антенн. Кейт Александер возглавляла группу, изучающую спектр радиоволн с помощью VLA (Very Large Array) –