Около 870 миллионов лет назад две мертвые звезды стали одной. Их слияние сотрясло ткань космоса гравитационной волной, которая пронеслась сквозь Землю в прошлую среду и прошла через три пары тщательно откалиброванных датчиков, предназначенных для их обнаружения. Через 21 секунду автоматическая система разослала оповещения об этом на ноутбуки и смартфоны ученых по всему миру.

Спустя три года после обнаружения первой гравитационной волны, которая произошла от пары сталкивающихся черных дыр, такие предупреждения стали обычным явлением. На этот раз, однако, астрофизики сразу поняли, что наблюдаемое событие было особенным. «У меня отвисла челюсть, когда я увидел данные», — говорит Джеффри Ловелас из Калифорнийского государственного университета, работающий в LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория).

Волна была обнаружена LIGO в США и обсерваторией Virgo в Италии в 21:11:18 UTC 14 августа. Автоматически полученные данные показали, что она — результат беспрецедентного слияния пары тел, слишком легких для образования гравитационных волн, что заставило астрономов искать дополнительное электромагнитное излучение от этого события. Последующий анализ классифицировал сигнал как столкновение между черной дырой и нейтронной звездой — звездным остатком, в котором гравитация сжала всю массу Солнца в шар размером с город. 

Это было первое такое подтвержденное событие, и — после столкновения двух черных дыр и слияния двух нейтронных звезд в черную дыру — третий тип столкновений, обнаруженный благодаря гравитационным волнам. Если текущий анализ останется в силе, это событие, получившее название S190814bv, ознаменует начало новой эры астрофизических исследований, с последствиями для того, как исследователи понимают общую теорию относительности Эйнштейна, гибель звезд и поведение экстремальных видов материи.


Детектор LIGO с высоты птичьего полета.

Сигнал «вне графика»

Чед Ханна, сотрудник LIGO и астрофизик из Университета штата Пенсильвания, отмечал годовщину своей свадьбы с женой, когда у него зазвонил телефон. Его группа специализируется на быстрой классификации событий, обнаруженных LIGO, поэтому он сразу же вошел в систему, чтобы проверить детали полученной волны. «Первое, что я понял, так это то, что это был важный сигнал», — говорит Ханна. «Это было что-то выходящее за рамки теории».

Алгоритмический конвейер коллаборации LIGO-Virgo выдает базовую классификацию, основанную на форме волны, ее продолжительности и других факторах, практически мгновенно — команда Ханна стремится к менее чем 20 секундам: ​​так астрономы могут почти сразу повернуть свои телескопы в том направлении, откуда пришла волна.

В среду автоматическая система уверенно объявила, что по крайней мере один из объектов, которые произвели S190814bv, попал в «разрыв масс» — область, охватывающую диапазон от трех до пяти солнечных масс, которая, по-видимому, лишена черных дыр и нейтронных звезд. Все известные черные дыры весят более пяти масс солнца, в то время как все известные нейтронные звезды, рожденные от более легких звезд, которые не смогли стать черными дырами, весят порядка 1.5-2 масс солнца. Обнаружение объекта в разрыве масс было сюрпризом для коллаборации LIGO-Virgo, который может изменить теоретическую границу, отделяющую самые тяжелые нейтронные звезды от самых легких черных дыр.

Полученные данные быстро облетели весь мир, начиная от США во второй половине 14 августа и заканчивая европейскими странами утром следующего дня. Человеческий анализ определил событие как слияние нейтронной звезды и черной дыры с вероятностью более 99 процентов. Коллаборация LIGO-Virgo «слышала» столкновения более дюжины пар чёрных дыр, а также двух пар нейтронных звезд, но никогда не слышала финального «грохота» чёрной дыры, поглощающей нейтронную звезду.



Эволюция звезд.

«Это то, чего я ждал долгое время», — говорит Джеймс Латтимер, профессор астрономии в Университете Нью-Йорка и новаторский ядерный астрофизик, который показал в своей диссертации 1976 года, что слияния нейтронных звезд и черных дыр могут распылять в космос такие тяжелые элементы, такие как золото и уран.

Исследователи обнаружили аналогичную гравитационную волну в апреле, но не смогли подтвердить, что она пришла из дальнего космоса — сигнал, связанный с этим потенциальным событием, как предполагают модели, имел шанс один из семи раз быть ложной тревогой, создаваемой наземными источниками, Это означает, что ложное обнаружение будет происходить примерно раз в 20 месяцев. Но вот сигнал, полученный на прошлой неделе, однако, настолько ясен, что ложная тревога была бы событием раз в триллионы лет. «Когда этот срок больше, чем возраст вселенной», — говорит Лавлейс, — «вы знаете, что это реальное событие».

Однако даже столь явный сигнал S190814bv не гарантирует, что астрофизики определенно зафиксировали первое столкновение нейтронной звезды с черной дырой. Хотя текущие данные явно помещают более тяжелый объект в область черных дыр (более пяти масс солнца), они оставляют более легкого партнера в неопределенной зоне около трех солнечных масс. Если дальнейший анализ разместит этого партнера между одной и двумя солнечными массами, то это определенно будет нейтронная звезда. Но показатель ближе к трем массам солнца дает нам неопределенность: или это самая тяжелая известная нейтронная звезда во вселенной, или самая легкая известная черная дыра.

Будущие оценки массы дадут более ясную картину, но сначала астрофизикам LIGO-Virgo придется изучить гравитационную волну, используя лучшие модели, которые слишком сложны, чтобы дать точный результат за одну ночь расчетов. Теоретические инструменты становятся шаткими, поскольку масса одного из тел находится на границе современных теорий, и исследователям приходится вступать в неизведанную область. «Мы все еще анализируем и проверяем данные», — говорит Лавлейс. «Но это самое многообещающее исследование из всех, что были до сих пор».


Художественное изображение столкновения черных дыр.

В поиска света

Детектор Virgo в Италии в ту ночь работал лишь с одним из двух детекторов LIGO — именно они первоначально распознали волну. Однако исследователи смогли объединить эти данные с результатами работы второго детектора LIGO. Это позволило воспользоваться триангуляцией в пространстве и максимально точно определить положение источника волны на небе — гораздо точнее, чем при предыдущих исследованиях гравитационных сигналов. «Когда я открыла полученные данные, я подумала: «о, они случайно прислали мне пустую карту неба», — вспоминает Рид, астрофизик из Калифорнийского университета. Лишь присмотревшись, она заметила крошечную точку, отмечающую область происхождения волны.

Суженное местоположение источника сигнала, которое составляло всего 0.06% от общей площади неба, стало благом для астрономических групп, охотящихся за вспышкой гамма-излучения или видимого света, которые могут сопровождать смерть нейтронной звезды. «В принципе, требуется лишь несколько минут, чтобы охватить эту область», — говорит Марсель Соарес-Сантос, космолог из Университета Брандейс, который координировал последующие наблюдения на четырехметровом телескопе в Чили.

Черная дыра, возможно, разорвала нейтронную звезду, оставив вокруг себя яркое кольцо светящейся материи, которое через некоторое время также было поглощено. В качестве альтернативы, черная дыра могла «проглотить» нейтронную звезду одним «глотком», и в таком случае едва ли получится что-либо увидеть. Моделирование LIGO-Virgo для S190814bv предсказывает последний сценарий, но никто точно не знает, что на самом деле произошло. Для первого наблюдения даже такое отсутствие данных прольет на произошедшее. «Мы идем с чистым листом», — говорит Соарес-Сантос. «Если мы не найдем электромагнитного ответа, то это будет хорошим подтверждением моделирования LIGO-Virgo и наложит свой отпечаток на существующие теории».


Возможное строение нейтронной звезды.

Зондирование нейтрония

Теорий о нейтронных звездах предостаточно. Физики-ядерщики стремятся заглянуть внутрь объектов, где материя имеет плотности, которые бросают вызов нынешним лучшим моделям. Например, если давление внутри звезды достаточно велико, оно способно превращать нейтроны в плазму из элементарных частиц, поэтому нейтронные звезды свыше определенной массы должны оказаться меньше по размерам, чем предсказывают теории (так как плазма может сжиматься сильнее, чем нейтроны). Определенные особенности обнаруженной гравитационной волны, возникающей при падении нейтронной звезды в черную дыру, могут рассказать о ее массе, и, соответственно, о консистенции вещества, которое ее заполняет. 

Точно так же, в зависимости от того, видят ли астрономы последнюю вспышку от умирающей звезды или нет, также устанавливаются ограничения на ее размер. Точные измерения нейтронной звезды являются «своего рода святым Граалем ядерной физики», говорит Бен Маргалит, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли.

Черная дыра, уничтожающая нейтронную звезду, также представляет собой отличную арену для проверки общей теории относительности. Лавлейс говорит, что применить теорию гравитации Эйнштейна к гладкой ткани пространства-времени вокруг черных дыр достаточно сложно. Добавление туда горячей турбулентной намагниченной материи нейтронной звезды — экзотического вещества, иногда называемого «нейтронием» — поднимает проблему на новый уровень.

Даже если это исследование колебаний самого пространства-времени не откроет никаких секретов природы, ученые уверены, что это только первый случай из многих. «Надеюсь, мы что-нибудь узнаем из процесса слияния черной дыры и нейтронной звезды», — говорит Лавлейс. «Но даже если нет, то я все еще с оптимизмом смотрю в насыщенное гравитационными волнами небо».