5 главных космических открытий, сделанных благодаря изучению гравитационных волн
Гравитационная астрономия молода. Но за это время учёные, работающие на LIGO и Virgo сделали несколько впечатляющих открытий. Недавно физики из множества стран рассказали о последнем прорыве гравитационной астрономии — наблюдении волн, рождённых слиянием нейтронных звезд. 17 августа 2021 года земные гравитационно-волновые обсерватории зарегистрировали уже пятую с начала наблюдений гравитационную волну, а наблюдения с помощью обычных телескопов показали, что источник гравиволны был также источником электромагнитного излучения. Его наблюдали сотни телескопов, наземных и орбитальных, во всех диапазонах. Рассказываем о том, что следует из результатов этих и предыдущих гравитационно-волновых измерений.
Мир то растягивается, то сжимается — и так всё время
В 1916 году Альберт Эйнштейн предсказал, что столкновение очень массивных объектов — чёрных дыр или нейтронных звёзд — может порождать колебания пространства-времени, которые распространяются по всей Вселенной. В 2015 году мы в этом убедились: действительно, весь космос, а вместе с ним и наша планета, и мы сами постоянно испытывают воздействие гравитационных волн. Когда такая волна проходит через нас, мы немного растягиваемся и сжимаемся. И так случается довольно часто. Поскольку источники гравитационных дыр находятся за тысячи световых лет от нас, это воздействие совершенно нечувствительно, но будь они ближе, мы бы. возможно, заметили, как колеблется пространство-время, в котором мы живём.
Черные дыры действительно существуют
Казалось бы, что тут доказывать, мы знаем о чёрных дырах уже несколько десятилетий. Но напомним: до LIGO их никто не видел. Вся наша астрономия строилась на наблюдениях электромагнитных волн, видимых глазу и невидимых, от гамма- до радио. Но черные дыры не излучают в электромагнитном спектре; чтобы подтвердить их существование, нужно зарегистрировать гравитационную волну. что и сделала обсерватория LIGO. Судя по всему, одна такая есть и в центре нашей галактики — и многих других — но наверняка сказать нельзя. LIGO впервые позволил экспериментально доказать, что черные дыры существуют и могут сталкиваться, сливаясь в одну дыру большей массы.
Происхождение тяжелых химических элементов
Водород и гелий образовались в результате Большого взрыва. Все остальные элементы тяжелее гелия, но легче циркония — продукт термоядерного синтеза, идущего в недрах звёзд (при том все элементы от железа до циркония образуются при взрывах сверхновых). Но откуда берутся самые тяжелые элементы? Последнее громкое открытие с участием гравитационно-волновых обсерваторий показало, что происходит при столкновении нейтронных звёзд: оптические телескопы зарегистрировали спектры золота, платины и свинца. Расчёты показали, что тодлько золота в результате этого столкновения образовалось больше. чем 10 масс Земли. Подобные астрономические события могут быть источникам большей части, если не всех, тяжёлых элементов во Вселенной.
Происхождение коротких гамма-всплесков
До Земли дошло излучение, порожденное столкновением нейтронных звёзд. Сначала команды LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационную волну, а через несколько секунд орбитальный гамма-телескоп «Ферми» увидел гамма-вспышку. Такие вспышки наблюдались и раньше, но их происхождение оставалось загадкой. Их возникновение в результате слияния нейтронных звезд было одной из гипотез, которую до сих пор не было возможности проверить. Возможно, что все гамма-всплески, которые мы наблюдали раньше — это результат слияния нейтронных звезд, а значит, эти события происходят не так уж редко.
Наши расчеты верны
Все, что мы узнали, анализируя данные гравитационно-волновых интерферометров, было уже предсказано и смоделировано; эксперименты только подтвердили правильность расчётов. Физики знали, какими должны быть длина и энергия гравитационных волн, возникающих при слиянии черных дыр и нейтронных звезд. Они также знали, что черные дыры существуют и иногда сливаются. Они были почти уверены в том, что столкновения нейтронных звёзд порождают тяжелые элементы и короткие гамма-всплески. Больших сюрпризов не было — а это значит, что наша физика надёжна. С её помощью можно предсказывать события, наблюдать которые нет возможности.