Gravitacines bangas užfiksavo LIGO/Virgo jutiklių trijulė, o šviesos signalą pastebėjo apie 70 antžeminių ir orbitinių observatorijų.
Neutroninės žvaigždės – pačios tankiausios ir mažiausios žinomos žvaigždės, kurios lieka po to, kai masyvios žvaigždės tampa supernovomis. Artėjant dviem neutroninėms žvaigždėms jos skleidė gravitacines bangas, kurias galima buvo stebėti apie 100 sekundžių, susidūrimo metu jos taip pat paskleidė gama spindulių blyksnį, kuris Žemėje galėjo būti stebimas apie dvi sekundes.
Likus savaitėms ir kelioms dienoms iki susidūrimo, nuo šių neutroninių žvaigždžių sklido ir buvo užfiksuotos įvairios kitos elektromagnetinės bangos – rentgeno, ultravioletinės, regimojo spektro, infraraudonųjų spindulių ir radijo.
Šio kosminio įvykio stebėjimas astronomams suteikė pirmą mokslo istorijoje galimybę rinkti duomenis apie dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimą. Pavyzdžiui, JAV Gemini ir Hubble observatorijos ir Europos mokslininkai labai dideliu teleskopu užfiksavo nuo susidūrimo vietos sklindančius ką tik susidariusių medžiagų, taip pat aukso ir platinos, spektrinių žymenų – tokiu būdu astronomai sugebėjo atsakyti į dešimčių metų senumo klausimą – kur susidarė daugiau nei pusė už geležį sunkesnių elementų.
LIGO/Virgo stebėjimų rezultatai pirmadienį publikuojame recenzuojamame žurnale „Physical Review Letters“. Papildomi moksliniai darbai, parašyti LIGO/Virgo ir astronomų bendruomenės stebėjimų rezultatų pagrindu, pateikti publikavimui įvairiuose kituose mokslo žurnaluose.
„Neįtikėtinai nuostabu patirti tokį retą įvykį, kuris visiškai pakeičia mūsų suvokimą apie Visatos veikimą. Šiuo atradimu pasiektas ilgalaikis daugelio mūsų tikslas – vienu metu stebėti retus kosminius įvykius ir tradicinių elektromagnetinių, ir gravitacinių bangų observatorijomis. Po keturių dešimtmečių investavimo į gravitacinių bangų observatorijas bei nuolatinį darbą su observatorijomis, registruojančiomis įvairių ilgių bangas, nuo radijo iki gama spindulių, galėjome išplėsti savo gebėjimus aptikti naujus kosminius reiškinius ir papildyti savo žinias apie paskutines žvaigždžių gyvavimo akimirkas“, – pasakojo LIGO finansuojančio JAV Nacionalinio mokslo fondo direktorius France'as A.Cordova.
Dangiškas ženklas
Gravitacinis signalas, registruotas pavadinimu GW170817, buvo pastebėtas rugpjūčio 17 dieną, 15:41 Lietuvos laiku. Signalą užfiksavo du identiški LIGO gravitacinių bangų jutikliai, sumontuoti JAV. Trečiojo detektoriaus Virgo, esančio Italijoje, pateikta informacija padėjo gerokai patikslinti šio kosminio įvykio tikslią vietą.
Bendrame LIGO/Virgo gravitacinių bangų stebėjimo projekte dirba apie 1500 mokslininkų – jie valdo jutiklius, apdoroja duomenis, interpretuoja gaunamus gravitacinių bangų duomenis. Kiekviena iš šių observatorijų yra sudaryta iš dviejų ilgų tunelių, sudarančių L raidės formą – tiesių susikirtimo vietoje lazerio spindulys perskeliamas pusiau ir šviesa keliauja abiem tuneliais, o vėliau atspindima atgal. Kai gravitacinių bangų signalo nėra, kiekvienu tuneliu sklindanti lazerio šviesa į vietą, kur spindulys buvo perskeltas pusiau, turėtų grįžti lygiai tuo pačiu metu. Jeigu observatoriją kerta gravitacinė banga, kiekvieno lazerio spindulio grįžimo laikas skirsis beveik neužfiksuojamai mažu laikotarpiu.
Rugpjūčio 17 d. LIGO realaus laiko duomenų analizės programinė įranga užfiksavo stiprų iš kosmoso sklindantį gravitacinių bangų signalą. Beveik tuo pačiu metu NASA priklausančio Fermi kosminio teleskopo gama spindulių monitorius užfiksavo gama spindulių žybsnį. LIGO/Virgo duomenų analizės programinė įranga, susumavusi abu signalus, pateikė išvadą, kad labai mažai tikėtina, jog tai buvo atsitiktinumas, kita automatizuota LIGO duomenų analizės programa parodė, kad kitas LIGO jutiklis taip pat užfiksavo gravitacinių bangų signalą.
Dėl LIGO/Virgo jutiklių trijulės bei Fermi teleskopo staigios duomenų analizės viso pasaulio teleskopai galėjo greitai prisijungti prie stebėjimų. LIGO duomenys rodė, kad santykinai nedideliu 130 mln. šviesmečių atstumu nuo mūsų du astrofizikiniai objektai spiraliniais judesiais staigiai artinasi vienas prie kito. Iš duomenų buvo galima spręsti, kad šie objektai nėra pakankamai masyvūs, kad sudarytų dvinarę juodąją skylę – LIGO/Virgo jutikliams jau „matytą“ objektą. Nustatyta, kad objektai yra 1,1–1,6 karto sunkesni už Saulę – tai patenka į neutroninių žvaigždžių masės spektrą. Neutroninės žvaigždės yra vos 20 km skersmens ir tokios tankios, kad vienas arbatinis šaukštelis tokios žvaigždės medžiagos svertų milijardus tonų.
Jeigu dvinarės juodosios skylės „čirena“ sekundės dalį, tai LIGO jutiklio rugpjūčio 17 d. fiksuotas signalas truko apie 100 sekundžių ir buvo matomas visame LIGO fiksuojamų dažnių spektre. Mokslininkai šio čirenimo šaltinį sugebėjo atpažinti kaip objektus, kurie buvo kur kas mažesnės masės nei visos iki šiol matytos juodosios skylės.
„Mums iškart pasirodė, kad šaltinis tikriausiai bus neutroninės žvaigždės, dar vienas labai pageidaujamas užfiksuoti šaltinis – ir pasauliui pažadėtas, kad jį pamatysime. Tai buvo labai turtingas mokslinis įvykis, pateikęs gausybę informacijos – nuo neutroninių žvaigždžių vidinių procesų detalių ir jų emisijų iki fundamentalesnės fizikos, tokios, kaip bendroji reliatyvumo teorija. Tai yra dovana, kuri dar ilgai džiugins“, – sakė LIGO mokslinio bendradarbiavimo atstovas spaudai ir MIT Kavli Astrofizikos ir kosminių tyrimų vyr. mokslininkas Davidas Shoemakeris.
„Mūsų fono analizė parodė, kad tokio galingumo įvykiai atsitiktinai nutinka rečiau nei kartą per 80 000 metų, tad iškart atpažinome jį kaip labai patikimą signalą iš išskirtinai artimo šaltinio. Šis signalas neabejotinai atveria duris į naujus astrofizikos darbų atlikimo būdus. Tikiuosi, kad jis bus primintas kaip vienas daugiausiai analizuotų astrofizikos įvykių istorijoje“, – pridūrė Džordžijos technologijų instituto (JAV) fizikos profesorė Laura Cadonati, LIGO mokslinio bendradarbiavimo atstovo spaudai pavaduotoja.
Teoretikai prognozavo, kad susidūrus neutroninėms žvaigždėms jos turėtų skleisti gravitacines bangas ir gama spindulius bei galingus žybsnius visame elektromagnetinių bangų spektre. Fermi teleskopo užfiksuotas, o netrukus ir Europos kosmoso agentūros INTEGRAL patvirtintas gama spindulių žybsnis yra vadinamas trumpuoju gama spindulių žybsniu. O nauji stebėjimų duomenys rodo, kad bent dalis trumpųjų gama spindulių žybsnių yra išmetami jungiantis neutroninėms žvaigždėms.
„Ilgus dešimtmečius įtarėme, kad trumpieji gama spindulių žybsniai yra skleidžiami susiduriant neutroninėms žvaigždėms. Dabar, turėdami nuostabius LIGO/Virgo projekto duomenis, turime tikrą atsakymą. Gravitacinės bangos mums pasako, kad besijungiančių objektų masės atitinka neutroninių žvaigždžių masių spektrą, o gama spindulių žybsnis mums pasako, kad šie objektai vargu ar gali būti juodosios skylės, nes nesitikima, kad susiduriant juodosioms skylėms bus išmetamos šviesos bangos“, – sakė Fermi projekto mokslininkė Julie McEnery, dirbanti NASA Goddardo kosminių skrydžių centre.
Bet jeigu gali pasirodyti, kad viena kosminė mįslė yra įminta, tai atsirado daugybė naujų. Stebėtas trumpasis gama spindulių žybsnis yra vienas iš artimiausių Žemei iš visų stebėtų iki šiol. Bet nustebino tai, kad, įvertinus nuotolį, jis buvo silpnas. Mokslininkai jau pradeda siūlyti modelius, dėl ko taip gali būti. J.McEnery teigia, kad naujų teorijų pasiūlymų tikriausiai atsiras dar kelis ateinančius metus.
Dangaus plotas
Nors pirmieji gravitacinių bangų signalą užfiksavo JAV esantys LIGO jutikliai, itin svarbūs buvo ir Virgo jutiklio duomenys – šiuo jutikliu dėl orientacijos šaltinio atžvilgiu užfiksuotas silpnesnis signalas, tačiau, įvertinus visų trijų jutiklių bendrus duomenis trianguliacijos būdu buvo galima labai tiksliai nustatyti kosminio įvykio vietą.
Kruopščiai patikrinę, ar signalai nėra matavimo instrumentų klaidos, mokslininkai padarė išvadą, kad gravitacinės bangos atkeliavo iš santykinai nedidelio plotelio pietų pusrutulio danguje. „Iš visų iki šiol užfiksuotų gravitacinių bangų šis įvykis lokalizuotas tiksliausiai. Rekordinis tikslumas suteikė astronomams galimybę atlikti tolesnius stebėjimus, kurie tapo daugybės kvapą užimančių rezultatų pagrindu“, – sakė Virgo bendradarbiavimo atstovas spaudai, Amsterdamo VU universiteto ir Olandijos nacionalinio subatominės fizikos instituto mokslininkas Jo van der Brandas.
„Šis rezultatas – puikus komandinio darbo efektyvumo, veiksmų koordinavimo svarbos, mokslinio bendradarbiavimo svarbos pavyzdys. Džiaugiamės galėję atlikti savo reikšmingą vaidmenį šiame išskirtiniame moksliniame iššūkyje. Be Virgo būtų labai sunku tiksliai nustatyti gravitacinių bangų šaltinį“, – sakė Europos gravitacinės observatorijos direktorius Federico Ferrini.
Fermi teleskopas pateikė lokalizacijos duomenis, kurie vėliau buvo patvirtinti ir smarkiai patikslinti koordinatėmis, kurias pateikė bendri LIGO/Virgo duomenys. Su šiomis koordinatėmis daugybė viso pasaulio observatorijų po kelių valandų galėjo pradėti žvalgyti tą dangaus regioną, iš kurio, kaip buvo manoma, radosi signalas. Optiniai teleskopai pirmieji pastebėjo naują šviesos šaltinį, primenantį naują žvaigždę. Galų gale apie 70 antžeminių ir orbitinių observatorijų stebėjo šį įvykį savo stebimų bangų diapazone.
„Šis signalo fiksavimas atveria langą ilgai lauktai, „daugelio pranešėjų“ astronomijai. Tai yra pirmas kartas, kai kataklizminį astronominį įvykį stebėjome ir gravitacinėmis, ir elektromagnetinėmis bangomis – mūsų kosminiais pranešėjais. Gravitacinių bangų astronomija siūlo naujų galimybių suprasti neutroninių žvaigždžių savybes taip, kaip negalėtume vien elektromagnetinėmis bangomis“, – sakė Kalifornijos technologijų instituto mokslininkas, LIGO laboratorijos vykdantysis direktorius Davidas H. Reitze.
Ugnies kamuolys ir švytėjimas
Visos su elektromagnetiniais spinduliais dirbančios observatorijos ateinančiomis savaitėmis ir mėnesiais publikuos savo išvadas apie astrofizikinio reiškinio stebėjimą. O tuo tarpu bendrai vertinant visų observatorijų duomenis dar kartą patvirtina įtarimą, kad gravitacinių bangų signalas tikrai atkeliavo nuo poros spirale besisukančių neutroninių žvaigždžių.
Maždaug prieš 130 mln. metų dvi neutroninės žvaigždės išgyveno paskutines sukimosi viena apie kitą akimirkas – jas skyrė vos apie 300 kilometrų, o atstumui tarp jų nepaliaujamai mažėjant augo ir jų judėjimo greitis. Vis greičiau ir greičiau sukantis spirale vienai apie kitą, jos išsitempė ir iškraipė aplinkinį erdvėlaikį, išskyrė energiją galingų gravitacinių bangų pavidalu ir galų gale susidūrė. Susidūrimo akimirką didžioji šių dviejų žvaigždžių dalis susijungė į vieną ultratankų objektą ir išskyrė gama spindulių „ugnies kamuolį“.
Pradiniai gama spindulių matavimai, kartu su gravitacinių bangų fiksavimu, dar kartą patvirtino Alberto Einsteino Bendrąją reliatyvumo teoriją, kuri prognozuoja, kad gravitacinės bangos turėtų keliauti šviesos greičiu.
Teoretikai prognozavo, kad po pirmojo ugnies kamuolio turėtų įvykti „kilonova“ – reiškinys, kurio metu ryškiai švytinti medžiaga, likusi po neutroninių žvaigždžių susidūrimo, nupučiama į artimą ir tolimą kosmosą. Naujausi elektromagnetinių bangų stebėjimai parodė, kad susidūrimo metu susidarė sunkieji cheminiai elementai – tokie, kaip švinas ir auksas – kurie yra paskleidžiami po Visatą. Vėlesnėmis savaitėmis ir mėnesiais viso pasaulio teleskopai ir toliau stebės neutroninių žvaigždžių susidūrimo švytinčius pėdsakus bei toliau rinks duomenis apie skirtingus susijungimo etapus, susijungimo poveikį aplinkai bei procesus, kurių metu susidaro sunkiausi Visatos cheminiai elementai.
„Kai iš pradžių planavome LIGO devintame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, žinojome, kad ilgainiui mums reikės tarptautinio gravitacinių bangų laboratorijų tinklo, įskaitant laboratorijas Europoje, kad galėtume lokalizuoti gravitacinių bangų šaltinius, kuriuos tada galėtų stebėti šviesą fiksuojantys teleskopai, tirsiantys tokius švytinčius įvykius, kaip šis neutroninių žvaigždžių susijungimas. O šiandien galime teigti, kad mūsų gravitacinių bangų tinklas kartu su šviesos teleskopijos observatorijomis veikia nuostabiai ir veiks dar geriau, kai pradės veikti Indijoje ir Japonijoje suplanuotos gravitacinių bangų observatorijos“, – sakė Kalifornijos technologijų instituto mokslininkas Fredas Raabas, LIGO direktoriaus pavaduotojas observatorijos veiklai.
