امواج گرانشی ناشی از ادغام ستاره های نوترونی کشف سال: اخترفیزیکدانان برای اولین بار برخورد ستارگان نوترونی را مشاهده کردند. چه چیزی باعث انفجار شد

دیروز، در یک کنفرانس مطبوعاتی در واشنگتن، دانشمندان رسماً ثبت یک رویداد نجومی را اعلام کردند که هیچ کس قبلاً آن را ثبت نکرده بود - ادغام دو ستاره نوترونی. بر اساس نتایج مشاهدات، بیش از 30 مقاله علمی در پنج مجله منتشر شد، بنابراین ما نمی توانیم در مورد همه چیز به یکباره صحبت کنیم. در اینجا خلاصه و مهمترین اکتشافات آورده شده است.
ستاره شناسان ادغام دو ستاره نوترونی و تولد یک سیاهچاله جدید را مشاهده کرده اند. ستاره‌های نوترونی اجرامی هستند که در نتیجه انفجار ستارگان بزرگ و پرجرم (چند برابر سنگین‌تر از خورشید) ظاهر می‌شوند. اندازه آنها کوچک است (قطر آنها معمولاً بیش از 20 کیلومتر نیست) اما چگالی و جرم آنها بسیار زیاد است. ادغام دو ستاره نوترونی سیاهچاله ای را در فاصله 130 میلیون سال نوری از زمین ایجاد کرد، جرمی که حتی از ستاره نوترونی سنگین تر و چگال تر است. ادغام ستارگان و تشکیل یک سیاهچاله با آزاد شدن انرژی عظیمی به شکل تابش گرانشی، پرتو گاما و نوری همراه بود. هر سه نوع تابش توسط تلسکوپ های زمینی و مداری ثبت شد. این موج گرانشی توسط رصدخانه های LIGO و VIRGO ثبت شده است.
این موج گرانشی بالاترین موج انرژی بود که تاکنون مشاهده شده است. انواع تشعشعات در 17 اوت به زمین رسید. اول، تداخل سنج های لیزری زمینی LIGO و Virgo فشرده سازی و انبساط دوره ای فضا-زمان را ثبت کردند - یک موج گرانشی که چندین بار دور کره زمین چرخید. رویدادی که موج گرانشی را ایجاد کرد GRB170817A نام داشت. چند ثانیه بعد، تلسکوپ پرتو گامای فرمی ناسا فوتون های پرانرژی را در محدوده پرتو گاما شناسایی کرد. و سپس چیزی شروع شد: با دریافت هشداری از همکاری LIGO/Virgo، ستاره شناسان در سراسر زمین تلسکوپ های خود را با مختصات منبع تشعشع تنظیم کردند. در این روز، تلسکوپ‌های بزرگ و کوچک زمینی و مداری که در همه محدوده‌ها کار می‌کنند، به یک نقطه از فضا نگاه کردند. بر اساس نتایج مشاهدات، دانشگاه کالیفرنیا (برکلی) یک شبیه سازی کامپیوتری از ادغام ستارگان نوترونی انجام داد. ظاهراً هر دو ستاره کمی بزرگتر از خورشید بودند (اما در عین حال از نظر شعاع بسیار کوچکتر). این دو توپ با چگالی باورنکردنی دور یکدیگر می چرخیدند و مدام شتاب می گرفتند. اینطوری پیش رفت: در نتیجه ادغام ستاره های نوترونی، اتم های عناصر سنگین - طلا، اورانیوم، پلاتین - به فضای بیرونی رها شدند. ستاره شناسان بر این باورند که چنین رویدادهایی منبع اصلی این عناصر در جهان هستند. تلسکوپ های نوری ابتدا نور مرئی آبی و سپس تابش فرابنفش را دیدند که جای خود را به نور قرمز و تابش در محدوده مادون قرمز داد.
این دنباله با پیش بینی های نظری مطابقت دارد. طبق این تئوری، هنگامی که ستارگان نوترونی با هم برخورد می کنند، مقداری از ماده خود را از دست می دهند - با ابر عظیمی از نوترون ها و پروتون ها در اطراف محل برخورد پاشیده می شود. هنگامی که یک سیاهچاله شروع به شکل گیری می کند، یک قرص برافزایشی در اطراف آن تشکیل می شود که در آن ذرات با سرعتی بسیار زیاد می چرخند - به قدری که برخی بر گرانش سیاهچاله غلبه می کنند و دور می شوند. این سرنوشت تقریباً 2 درصد از ماده ستارگان در حال برخورد را در انتظار خواهد داشت. این ماده ابری را در اطراف سیاهچاله تشکیل می دهد که قطر آن ده ها هزار کیلومتر است و چگالی آن تقریباً برابر با خورشید است. پروتون ها و نوترون های تشکیل دهنده این ابر به هم می چسبند و هسته های اتمی را تشکیل می دهند. سپس پوسیدگی این هسته ها آغاز می شود. ستاره شناسان روی زمین تابش هسته های در حال پوسیدگی را برای چند روز مشاهده کردند. طی میلیون‌ها سال پس از رویداد GRB170817A، این تابش کل کهکشان را پر کرده است.

دانشمندان روسی به عنوان بخشی از همکاری های LIGO و Virgo برای اولین بار امواج گرانشی را از ادغام دو ستاره نوترونی کشف کردند. این اولین رویداد کیهانی است که هم در امواج گرانشی و هم در امواج الکترومغناطیسی مشاهده شده است. این کشف امروز در کنفرانس های مطبوعاتی در واشنگتن و مسکو ارائه شد. نتایج همچنین در مجله Physical Review Letters منتشر خواهد شد.

دو هفته پس از اعطای جایزه نوبل فیزیک به سه محقق آمریکایی برای کشف امواج گرانشی، LIGO (رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنجی لیزری، ایالات متحده) و Virgo (یک رصدخانه مشابه در ایتالیا) همکاری کردند که برای اولین بار کشف کرده اند. امواج گرانشی زمانی از ادغام دو ستاره نوترون، و این پدیده بر روی تداخل سنج های لیزری که امواج گرانشی را ثبت می کنند، با استفاده از رصدخانه های فضایی (انتگرال، فرمی) و تلسکوپ های زمینی که تشعشعات الکترومغناطیسی را ثبت می کنند، مشاهده شد. در مجموع، این پدیده توسط حدود 70 رصدخانه زمینی و فضایی در سراسر جهان، از جمله شبکه تلسکوپ های روباتیک MASTER (دانشگاه دولتی M.V. Lomonosov مسکو) مشاهده شد.

اولین تشخیص مستقیم امواج گرانشی ناشی از برخورد سیاهچاله ها توسط رصدخانه LIGO حدود دو سال پیش انجام شد. پنجره جدیدی به کیهان باز شد. والری میتروفانوف، استاد دانشکده فیزیک دانشگاه ایالتی مسکو، می‌گوید که امروزه ما می‌بینیم که این کانال جدید برای کسب اطلاعات در ترکیب با نجوم سنتی چه فرصت‌های بی‌سابقه‌ای را برای محققان ایجاد می‌کند.

در 17 آگوست، هر دو آشکارساز LIGO یک سیگنال گرانشی به نام GW170817 را شناسایی کردند. اطلاعات ارائه شده توسط سومین آشکارساز Virgo به طور قابل توجهی مکان یابی رویداد کیهانی را بهبود بخشیده است. تقریباً همزمان (حدود دو ثانیه پس از امواج گرانشی)، تلسکوپ فضایی پرتو گاما فرمی ناسا و آزمایشگاه بین‌المللی اخترفیزیک پرتو گاما INTEGRAL (INTEGRAL) انفجارهای پرتو گاما را شناسایی کردند. در روزهای بعد، تشعشعات الکترومغناطیسی در محدوده های دیگری از جمله اشعه ایکس، فرابنفش، نوری، مادون قرمز و امواج رادیویی ثبت شد.

سیگنال های آشکارسازهای LIGO نشان داد که امواج گرانشی شناسایی شده توسط دو جرم اخترفیزیکی که نسبت به یکدیگر می چرخند و در فاصله نسبتاً نزدیک، حدود 130 میلیون سال نوری، از زمین قرار دارند، ساطع می شوند. مشخص شد که جرم این اجرام کمتر از سیاهچاله های دوتایی است که قبلاً توسط LIGO و Virgo کشف شده بود. جرم آنها بین 1.1 تا 1.6 جرم خورشیدی محاسبه شد که در محدوده جرم ستارگان نوترونی، کوچکترین و متراکم ترین ستارگان قرار می گیرد. شعاع معمولی آنها فقط 10-20 کیلومتر است.

با دریافت مختصات، رصدخانه ها در عرض چند ساعت توانستند جستجوی منطقه ای از آسمان را که ظاهراً رویداد در آنجا رخ داده است، آغاز کنند. یک نقطه درخشان جدید شبیه نوا توسط تلسکوپ های نوری کشف شد. در نهایت، حدود 70 رصدخانه در زمین و در فضا این رویداد را در محدوده‌های طول موج مختلف مشاهده کردند. در روزهای پس از برخورد، تابش الکترومغناطیسی در محدوده اشعه ایکس، فرابنفش، نوری، مادون قرمز و امواج رادیویی ثبت شد.

برای اولین بار، برخلاف ادغام سیاهچاله های «تنها»، یک رویداد «شرکتی» نه تنها توسط آشکارسازهای گرانشی، بلکه توسط تلسکوپ های نوری و نوترینو نیز ثبت شد. استاد دانشکده فیزیک دانشگاه دولتی مسکو به نام M.V. لومونوسوف سرگئی ویاچانین.

نظریه پردازان پیش بینی کردند که ادغام یک "کیلونووا" تولید می کند. این پدیده ای است که در آن مواد باقی مانده از یک برخورد ستاره نوترونی به روشنی می درخشد و از منطقه برخورد بسیار دور به فضا پرتاب می شود. این فرآیندهایی را ایجاد می کند که عناصر سنگینی مانند سرب و طلا را ایجاد می کند. مشاهده درخشش پس از ادغام یک ستاره نوترونی اطلاعات بیشتری در مورد مراحل مختلف ادغام، برهمکنش جسم حاصل با محیطش و فرآیندهایی که سنگین ترین عناصر را در کیهان تولید می کنند، ارائه می دهد.

در طی فرآیند همجوشی، تشکیل عناصر سنگین ثبت شد. بنابراین، حتی می توان در مورد یک کارخانه کهکشانی برای تولید عناصر سنگین از جمله طلا صحبت کرد، زیرا این فلز است که بیشتر از همه زمینیان را مورد توجه قرار می دهد. ویاچانین خاطرنشان کرد: دانشمندان شروع به ارائه مدل هایی می کنند که پارامترهای مشاهده شده این ادغام را توضیح دهد.

ESO/L. Calçada/M. کورنمسر

برای اولین بار در تاریخ، دانشمندان امواج گرانشی حاصل از ادغام دو ستاره نوترونی - اجرام فوق متراکم با جرم خورشید ما و اندازه مسکو را ثبت کردند. انفجار بعدی اشعه گاما و انفجار کیلونووا توسط حدود 70 رصدخانه زمینی و فضایی مشاهده شد - آنها توانستند روند سنتز عناصر سنگین پیش بینی شده توسط نظریه پردازان از جمله طلا و پلاتین را مشاهده کنند و صحت فرضیه های مربوط به آن را تایید کنند. سرویس مطبوعاتی این همکاری LIGO/Virgo، رصدخانه جنوبی اروپا و رصدخانه لوس کامبرس، ماهیت فوران های مرموز پرتو گاما را گزارش می دهد. نتایج مشاهدات می تواند روشنایی را در کیهان روشن کند.

در صبح روز 17 آگوست 2017 (ساعت 8:41 صبح به وقت ساحل شرقی، زمانی که ساعت 3:41 بعد از ظهر در مسکو بود)، سیستم های خودکار روی یکی از دو آشکارساز رصدخانه امواج گرانشی LIGO ورود یک گرانشی را تشخیص دادند. موج از فضا این سیگنال GW170817 نامگذاری شد، پنجمین باری است که امواج گرانشی از زمانی که برای اولین بار در سال 2015 شناسایی شدند، شناسایی شدند. تنها سه روز قبل از آن، رصدخانه LIGO برای اولین بار یک موج گرانشی را همراه با پروژه اروپایی ویرجو شناسایی کرده بود.

با این حال، این بار، تنها دو ثانیه پس از این رویداد گرانشی، تلسکوپ فضایی فرمی درخششی از پرتوهای گاما را در آسمان جنوبی ثبت کرد. تقریباً در همان لحظه، رصدخانه فضایی اروپا و روسیه INTEGRAL این فلش را دید.

سیستم های تجزیه و تحلیل خودکار داده های LIGO به این نتیجه رسیدند که همزمانی این دو رویداد بسیار بعید است. در حین جستجو برای اطلاعات اضافی، مشخص شد که آشکارساز دوم LIGO نیز موج گرانشی را مشاهده کرده است، اما توسط رصدخانه گرانشی ویرجوی اروپایی ثبت نشده است. ستاره شناسان در سراسر جهان در حالت آماده باش قرار گرفتند - بسیاری از رصدخانه ها، از جمله رصدخانه جنوبی اروپا و تلسکوپ فضایی هابل، شروع به شکار منبع امواج گرانشی و انفجار پرتو گاما کردند.

تغییر در روشنایی و رنگ کیلونووا پس از انفجار

کار آسان نبود - داده های ترکیبی از LIGO/Virgo، Fermi و INTEGRAL امکان ترسیم مساحت 35 درجه مربع را فراهم کرد - این مساحت تقریبی چند صد قرص ماه است. تنها 11 ساعت بعد، تلسکوپ کوچک Swope با آینه ای به طول یک متر که در شیلی واقع شده بود، اولین تصویر از منبع ادعایی را گرفت - مانند ستاره ای بسیار درخشان در کنار کهکشان بیضی شکل NGC 4993 در صورت فلکی هیدرا. طی پنج روز بعد، روشنایی منبع 20 برابر کاهش یافت و رنگ به تدریج از آبی به قرمز تغییر کرد. در تمام این مدت، این جرم توسط تلسکوپ‌های بسیاری در محدوده‌ای از اشعه ایکس تا فروسرخ رصد شد، تا اینکه در ماه سپتامبر کهکشان بسیار نزدیک به خورشید بود و برای رصد غیرقابل دسترس شد.

دانشمندان به این نتیجه رسیدند که منبع شعله در کهکشان NGC 4993 در فاصله حدود 130 میلیون سال نوری از زمین بوده است. این به طرز باورنکردنی نزدیک است؛ تاکنون امواج گرانشی از فواصل میلیاردها سال نوری به ما رسیده است. به لطف این نزدیکی، توانستیم صدای آنها را بشنویم. منبع موج ادغام دو جرم با جرم در محدوده 1.1 تا 1.6 خورشیدی بود - اینها فقط می توانند ستاره های نوترونی باشند.

عکس منبع امواج گرانشی - NGC 4993، فلاش در مرکز قابل مشاهده است

VLT/VIMOS. VLT/MUSE، MPG/ESO

خود این انفجار برای مدت بسیار طولانی "صدا" داشت - حدود 100 ثانیه؛ ادغام سیاهچاله ها باعث ایجاد انفجارهایی به مدت کسری از ثانیه شد. یک جفت ستاره نوترونی حول یک مرکز جرم مشترک می چرخیدند و به تدریج انرژی خود را به شکل امواج گرانشی از دست می دادند و به هم نزدیک می شدند. هنگامی که فاصله بین آنها به 300 کیلومتر کاهش یافت، امواج گرانشی آنقدر قدرتمند شدند که به منطقه حساسیت آشکارسازهای گرانشی LIGO/Virgo بیفتند. هنگامی که دو ستاره نوترونی به یک جسم فشرده (یک ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله) ادغام می شوند، انفجار قدرتمندی از تابش گاما رخ می دهد.

اخترشناسان چنین انفجارهای پرتو گاما را انفجارهای کوتاه پرتو گاما می نامند؛ تلسکوپ های پرتو گاما تقریباً هفته ای یک بار آنها را تشخیص می دهند. اگر ماهیت انفجارهای طولانی پرتو گاما واضح تر باشد (منبع آنها انفجارهای ابرنواختری هستند)، در این صورت هیچ اتفاق نظری در مورد منابع انفجارهای کوتاه وجود نداشت. این فرضیه وجود داشت که آنها از ادغام ستاره های نوترونی ایجاد می شوند.

اکنون دانشمندان توانسته‌اند این فرضیه را برای اولین بار تأیید کنند، زیرا به لطف امواج گرانشی جرم اجزای ادغام شده را می‌دانیم، که ثابت می‌کند اینها ستاره‌های نوترونی هستند.

"برای دهه ها ما مشکوک بودیم که انفجارهای کوتاه پرتو گاما باعث ادغام ستاره های نوترونی می شود. اکنون، به لطف داده های LIGO و Virgo در مورد این رویداد، ما پاسخ آن را داریم. جولی مک‌انری می‌گوید: امواج گرانشی به ما می‌گویند که اجرام ادغام شده دارای جرم‌هایی مطابق با ستاره‌های نوترونی هستند و انفجار پرتو گاما به ما می‌گوید که بعید است این اجرام سیاهچاله باشند، زیرا برخورد سیاهچاله‌ها نباید تشعشع ایجاد کند. دانشمند پروژه در مرکز فرمی پرواز فضایی گودارد ناسا.

علاوه بر این، برای اولین بار، ستاره شناسان تأیید صریح وجود شعله های کیلونوا (یا "ماکرون") را دریافت کردند که حدود 1000 برابر قدرتمندتر از شعله های نووا معمولی هستند. نظریه پردازان پیش بینی کردند که کیلونوواها می توانند از ادغام ستاره های نوترونی یا یک ستاره نوترونی و یک سیاهچاله به وجود بیایند.

این فرآیند سنتز عناصر سنگین را بر اساس جذب نوترون ها توسط هسته ها آغاز می کند (فرآیند r) که در نتیجه بسیاری از عناصر سنگین مانند طلا، پلاتین یا اورانیوم در کیهان ظاهر شدند.

به گفته دانشمندان، یک انفجار کیلونوا می تواند مقدار زیادی طلا - تا ده برابر جرم ماه - تولید کند. تا کنون فقط یک بار اتفاقی مشاهده شده است که .

اکنون، برای اولین بار، ستاره شناسان توانستند نه تنها تولد یک کیلونوا، بلکه محصولات "کار" آن را نیز مشاهده کنند. طیف به‌دست‌آمده با استفاده از تلسکوپ‌های هابل و VLT (تلسکوپ بسیار بزرگ) وجود سزیم، تلوریم، طلا، پلاتین و سایر عناصر سنگین را نشان می‌دهد که در طول ادغام ستاره‌های نوترونی تشکیل شده‌اند.

«تا کنون، داده‌هایی که ما به دست آورده‌ایم با این نظریه مطابقت دارد. استفانو کووینو، نویسنده اول کتاب می گوید: این یک پیروزی برای نظریه پردازان است، تاییدی بر واقعیت مطلق وقایع ثبت شده توسط رصدخانه های LIGO و Virgo، و یک دستاورد قابل توجه برای ESO، که توانست چنین مشاهداتی از یک کیلونوا را به دست آورد. یکی از مقالات در نجوم طبیعت.

دانشمندان هنوز پاسخی به این سؤال ندارند که پس از ادغام ستارگان نوترونی چه چیزی باقی می ماند - این می تواند یک سیاهچاله یا یک ستاره نوترونی جدید باشد، علاوه بر این، کاملاً مشخص نیست که چرا انفجار پرتو گاما به نسبتا ضعیف باشد

امواج گرانشی امواجی از ارتعاشات در هندسه فضا-زمان هستند که وجود آنها توسط نظریه نسبیت عام پیش بینی شده بود. برای اولین بار تشخیص قابل اعتماد آنها توسط همکاری LIGO در فوریه 2016 گزارش شد - 100 سال پس از پیش بینی های اینشتین. شما می توانید در مورد اینکه امواج گرانشی چیست و چگونه می توانند به کشف جهان در مواد ویژه ما کمک کنند - "" و "" بیشتر بخوانید.

الکساندر ویتوک

امروز، در یک کنفرانس مطبوعاتی در واشنگتن، دانشمندان رسماً ثبت یک رویداد نجومی را اعلام کردند که هیچ‌کس قبلاً آن را ثبت نکرده بود - ادغام دو ستاره نوترونی. بر اساس نتایج مشاهدات، بیش از 30 مقاله علمی در پنج مجله منتشر شد، بنابراین ما نمی توانیم در مورد همه چیز به یکباره صحبت کنیم. در اینجا خلاصه و مهمترین اکتشافات آورده شده است.

ستاره شناسان ادغام دو ستاره نوترونی و تولد یک سیاهچاله جدید را مشاهده کرده اند.

ستاره‌های نوترونی اجرامی هستند که در نتیجه انفجار ستارگان بزرگ و پرجرم (چند برابر سنگین‌تر از خورشید) ظاهر می‌شوند. اندازه آنها کوچک است (قطر آنها معمولاً بیش از 20 کیلومتر نیست) اما چگالی و جرم آنها بسیار زیاد است.

ادغام دو ستاره نوترونی سیاهچاله ای را در فاصله 130 میلیون سال نوری از زمین ایجاد کرد - جرمی حتی بزرگتر و چگالتر از ستاره نوترونی. ادغام ستارگان و تشکیل یک سیاهچاله با آزاد شدن انرژی عظیمی به شکل تابش گرانشی، پرتو گاما و نوری همراه بود. هر سه نوع تابش توسط تلسکوپ های زمینی و مداری ثبت شد. این موج گرانشی توسط رصدخانه های LIGO و VIRGO ثبت شده است.

این موج گرانشی بالاترین موج انرژی بود که تاکنون مشاهده شده است.

انواع تشعشعات در 17 اوت به زمین رسید. اول، تداخل سنج های لیزری زمینی LIGO و Virgo فشرده سازی و انبساط دوره ای فضا-زمان را ثبت کردند - یک موج گرانشی که چندین بار دور کره زمین چرخید. رویدادی که موج گرانشی را ایجاد کرد GRB170817A نام داشت. چند ثانیه بعد، تلسکوپ پرتو گامای فرمی ناسا فوتون های پرانرژی را در محدوده پرتو گاما شناسایی کرد.

در این روز، تلسکوپ‌های بزرگ و کوچک زمینی و مداری که در همه محدوده‌ها کار می‌کنند، به یک نقطه از فضا نگاه کردند.

بر اساس نتایج مشاهدات، دانشگاه کالیفرنیا (برکلی) یک شبیه سازی کامپیوتری از ادغام ستارگان نوترونی انجام داد. ظاهراً هر دو ستاره کمی بزرگتر از خورشید بودند (اما در عین حال از نظر شعاع بسیار کوچکتر). این دو توپ با چگالی باورنکردنی دور یکدیگر می چرخیدند و مدام شتاب می گرفتند. اینطوری پیش رفت:

در نتیجه ادغام ستاره های نوترونی، اتم های عناصر سنگین - طلا، اورانیوم، پلاتین - به فضای بیرونی رها شدند. ستاره شناسان بر این باورند که چنین رویدادهایی منبع اصلی این عناصر در جهان هستند. تلسکوپ های نوری ابتدا نور مرئی آبی و سپس تابش فرابنفش را دیدند که جای خود را به نور قرمز و تابش در محدوده مادون قرمز داد.

این دنباله با پیش بینی های نظری مطابقت دارد. طبق این تئوری، هنگامی که ستارگان نوترونی با هم برخورد می کنند، مقداری از ماده خود را از دست می دهند - با ابر عظیمی از نوترون ها و پروتون ها در اطراف محل برخورد پاشیده می شود. هنگامی که یک سیاهچاله شروع به شکل گیری می کند، یک قرص برافزایشی در اطراف آن تشکیل می شود که در آن ذرات با سرعتی بسیار زیاد می چرخند – آنقدر زیاد که برخی بر گرانش سیاهچاله غلبه کرده و دور می شوند.

این سرنوشت تقریباً 2 درصد از ماده ستارگان در حال برخورد را در انتظار خواهد داشت. این ماده ابری را در اطراف سیاهچاله تشکیل می دهد که قطر آن ده ها هزار کیلومتر است و چگالی آن تقریباً برابر با خورشید است. پروتون ها و نوترون های تشکیل دهنده این ابر به هم می چسبند و هسته های اتمی را تشکیل می دهند. سپس پوسیدگی این هسته ها آغاز می شود. ستاره شناسان روی زمین تابش هسته های در حال پوسیدگی را برای چند روز مشاهده کردند. طی میلیون‌ها سال پس از رویداد GRB170817A، این تابش کل کهکشان را پر کرده است.

امروز، در چندین کنفرانس مطبوعاتی همزمان، دانشمندان رصدخانه های گرانشی LIGO و Virgo و همچنین سایر موسسات علمی در سراسر جهان اعلام کردند که در آگوست سال جاری برای اولین بار توانستند امواج گرانشی ایجاد شده از ادغام را شناسایی کنند. از دو ستاره نوترونی فیزیکدانان پیش از این چهار بار امواج گرانشی را مشاهده کرده‌اند، اما در همه موارد این امواج از ادغام دو سیاه‌چاله و نه ستاره‌های نوترونی ایجاد شده‌اند.

©ESO/L. Calçada/M. کورنمسر

علاوه بر این، همچنین برای اولین بار در تاریخ، رویدادی که باعث ایجاد امواج گرانشی شد، نه تنها توسط آشکارسازهای گرانشی - تداخل سنج ها، بلکه توسط تلسکوپ های فضایی و زمینی در محدوده های مختلف (اشعه ایکس، فرابنفش، مرئی، فروسرخ و ...) مشاهده شد. رادیو). این کشف نه تنها گام بعدی در مطالعه امواج گرانشی و گرانش را فراهم می کند، بلکه پیشرفت های قابل توجهی در مطالعه ستارگان نوترونی نیز به همراه خواهد داشت. به طور خاص، فرضیه سنتز عناصر سنگین در طول ادغام ستارگان نوترونی و ماهیت انفجارهای پرتو گاما را تأیید می کند. این کشف در تعدادی از مقالات منتشر شده در مجله Nature، Nature Astronomy، Physical Review Letters و Astrophysical Journal Letters شرح داده شده است.

امواج گرانشی توسط هر جسمی که جرم دارد و با شتاب ناهموار حرکت می کند ایجاد می شود، اما امواج به اندازه کافی قوی که می توان با استفاده از دستگاه های ساخت بشر تشخیص داد، در طول برهم کنش اجرام با جرم بسیار بزرگ ایجاد می شود: سیاه چاله ها، اجزای ستاره های دوگانه، نوترون. ستاره ها. موج فعلی با نام GW170817 توسط هر دو آشکارساز در رصدخانه گرانشی LIGO در ایالات متحده و آشکارساز Virgo در ایتالیا در 17 اوت سال جاری شناسایی شد.

وجود سه آشکارساز واقع در نقاط مختلف زمین به دانشمندان اجازه می دهد تا موقعیت منبع امواج را به طور تقریبی تعیین کنند. دو ثانیه پس از آنکه رصدخانه های گرانشی موج GW170817 را ثبت کردند، یک فلاش پرتو گاما در ناحیه ای که منبع آن باید قرار گیرد مشاهده شد. این کار توسط تلسکوپ های فضایی پرتو گاما فرمی (تلسکوپ فضایی پرتو گاما فرمی) و INTEGRAL (آزمایشگاه بین المللی اخترفیزیک پرتو گاما) انجام شد. پس از این، بسیاری از رصدخانه های زمینی و فضایی شروع به جستجوی منبع احتمالی این رویدادها کردند. مساحت منطقه جست‌وجو، که از داده‌های رصدخانه‌های گرانشی و تلسکوپ‌های پرتو گاما تعیین می‌شود، بسیار بزرگ بود و به حدود 35 درجه مربع می‌رسید؛ چند صد قرص کامل ماه در چنین بخشی از آسمان جای می‌گرفت و تعداد از ستارگان واقع در آن چند میلیون است. اما آنها همچنان توانستند منبع موج گرانشی و انفجار پرتو گاما را پیدا کنند.

اولین کسی که این کار را انجام داد، یازده ساعت پس از انفجار پرتو گاما، تلسکوپ بازتابی Swope بود که در رصدخانه لاس کامپاناس در شیلی کار می کرد. پس از این، چندین تلسکوپ بزرگ بلافاصله برنامه های رصدی تایید شده قبلی خود را قطع کردند و به رصد کهکشان کوچک NGC 4993 در صورت فلکی هیدرا، در فاصله 40 پارسک از منظومه شمسی (حدود 130 میلیون سال نوری) روی آوردند. این اتفاق باعث ایجاد اولین شایعات در مورد این کشف شد، اما دانشمندان تا کنفرانس مطبوعاتی امروز چیزی را به طور رسمی تایید نکردند.

در واقع، منبع امواج و پرتوهای گاما ستاره ای بود که در نزدیکی کهکشان NGC 4993 قرار داشت. این ستاره برای چندین هفته توسط تلسکوپ های Pan-STARRS و سوبارو در هاوایی، تلسکوپ بسیار بزرگ رصدخانه جنوبی اروپا (VLT ESO) رصد شد. و تلسکوپ فناوری جدید (NTT)، تلسکوپ بررسی VLT (VST)، تلسکوپ 2.2 متری MPG/ESO، آرایه تلسکوپ ALMA (آرایه بزرگ میلی‌متری/زیر میلی‌متری آتاکاما) - در مجموع، حدود هفتاد رصدخانه از سراسر جهان در رصدها و همچنین تلسکوپ فضایی هابل. النا پیان، ستاره شناس موسسه اخترفیزیک ایتالیا INAF در بیانیه مطبوعاتی ESO گفت: «به ندرت پیش می آید که دانشمندی شاهد آغاز عصر جدیدی در علم باشد. "این یکی از آن موارد است!" اخترشناسان زمان کمی در اختیار داشتند، زیرا کهکشان NGC 4993 فقط در غروب ماه اوت برای رصد قابل دسترسی بود؛ در ماه سپتامبر در آسمان بسیار نزدیک به خورشید ظاهر شد و غیرقابل مشاهده شد.

ستاره مشاهده شده در ابتدا بسیار درخشان بود، اما در طول پنج روز اول رصد، روشنایی آن به میزان بیست کاهش یافت. این ستاره در همان فاصله ای از ما قرار دارد که کهکشان NGC 4993 - 130 میلیون سال نوری. این بدان معناست که موج گرانشی GW170817 در فاصله ای نزدیک از ما سرچشمه گرفته است. محاسبات نشان داد که منبع موج گرانشی از ادغام اجرامی بوده که جرم آنها برابر با 1.1 تا 1.6 جرم خورشید است، یعنی نمی توانند سیاهچاله باشند. بنابراین ستاره های نوترونی تنها توضیح ممکن شدند.

تصویر ترکیبی NGC 4993
و kilonova بر اساس داده های بسیاری از ابزارهای ESO
©ESO

تولید امواج گرانشی توسط ستارگان نوترونی از همان سناریویی پیروی می کند که در هنگام ادغام سیاهچاله ها، فقط امواج تولید شده توسط ستاره های نوترونی ضعیف تر هستند. هنگامی که دو ستاره نوترونی به دور یک مرکز گرانش مشترک در یک سیستم دوتایی می چرخند، با انتشار امواج گرانشی انرژی خود را از دست می دهند. بنابراین، آنها به تدریج به یکدیگر نزدیک می شوند تا زمانی که در یک ستاره نوترونی ادغام شوند (احتمال این وجود دارد که در حین ادغام یک سیاهچاله نیز ظاهر شود). ادغام دو ستاره نوترونی با شعله ای همراه است که بسیار درخشان تر از یک نواختر معمولی است. ستاره شناسان نام kilonova را برای آن پیشنهاد کردند. در جریان ادغام، بخشی از جرم دو ستاره به انرژی امواج گرانشی تبدیل می شود که این بار مورد توجه دانشمندان زمینی قرار گرفت.

اگرچه ستاره های کیلونووا بیش از 30 سال پیش پیش بینی شده بود، اما مورد فعلی اولین کشف چنین ستاره ای است. ویژگی های آن، که در نتیجه مشاهدات تعیین می شود، با پیش بینی های قبلی مطابقت دارد. ادغام دو ستاره نوترونی و انفجار یک کیلونوا باعث آزاد شدن عناصر شیمیایی سنگین رادیواکتیو می شود که با یک پنجم سرعت نور به دور می روند. در طی چند روز - سریعتر از هر انفجار ستاره ای دیگر - رنگ کیلونووا از آبی روشن به قرمز تغییر می کند. استفن اسمارت، که مشاهدات را با تلسکوپ ESO NTT انجام داد، می‌گوید: «وقتی طیف شی روی مانیتورهای ما ظاهر شد، متوجه شدم که این غیرعادی‌ترین حالت گذرا بود که تا به حال دیده بودم. - من هرگز چنین چیزی را مشاهده نکرده ام. داده‌های ما، و همچنین سایر گروه‌های تحقیقاتی، به وضوح نشان می‌دهد که این یک ابرنواختر یا یک ستاره متغیر پس‌زمینه نبود، بلکه چیزی کاملاً غیرعادی بود.»

طیف گسیلی این ستاره وجود سزیم و تلوریم را نشان می دهد که در طی ادغام ستاره های نوترونی به فضا پرتاب شده اند. این مشاهدات نظریه آر-هسته سنتز (فرآیند r، فرآیند سریع گرفتن نوترون) را که قبلاً توسط اخترفیزیکدانان در اعماق اجرام ستاره ای فوق متراکم فرموله شده بود، تأیید کرد. عناصر شیمیایی که در طول ادغام ستارگان نوترونی به وجود آمدند پس از انفجار کیلونووا در فضا پراکنده شدند.

نظریه دیگری از ستاره شناسان تأیید شده است که بر اساس آن انفجارهای کوتاه پرتو گاما در طول ادغام ستاره های نوترونی رخ می دهد. این ایده برای مدت طولانی بیان شده است، اما تنها ترکیب داده های رصدخانه های گرانشی LIGO و Virgo با مشاهدات ستاره شناسان امکان تأیید صحت آن را در نهایت فراهم کرد.

«تا کنون، داده‌هایی که ما به دست آورده‌ایم با این نظریه مطابقت دارد. این یک پیروزی برای نظریه پردازان است، تاییدی بر واقعیت مطلق وقایع ثبت شده توسط LIGO-VIRGO، و یک دستاورد قابل توجه برای ESO، که توانست چنین مشاهداتی از یک کیلونوا را به دست آورد. - ستاره شناس استفانو کووینو می گوید.