Gelombang gravitasi dari penggabungan bintang neutron. Mengapa ini penting? Penemuan tahun ini: ahli astrofisika pertama kali mengamati tumbukan bintang neutron Gelombang gravitasi bintang neutron

Kolaborasi LIGO-Virgo, bersama dengan para astronom dari 70 observatorium, hari ini mengumumkan pengamatan penggabungan dua bintang neutron dalam rentang gravitasi dan elektromagnetik: mereka melihat ledakan sinar gamma, serta sinar-X, ultraviolet, sinar tampak, inframerah dan emisi radio.

Ilustrasi tabrakan bintang neutron. Emisi diagonal sempit adalah aliran sinar gamma. Awan bercahaya di sekitar bintang adalah sumber cahaya tampak yang diamati teleskop setelah penggabungan. Kredit: NSF/LIGO/Universitas Negeri Sonoma/Aurore Simonnet

Pengamatan gabungan dari ledakan sinar gamma, gelombang gravitasi, dan cahaya tampak memungkinkan untuk menentukan tidak hanya wilayah di langit tempat peristiwa tersebut terjadi, tetapi juga galaksi NGC 4993 tempat bintang-bintang tersebut berada.

Penentuan lokasi di langit menggunakan detektor yang berbeda-beda

Apa yang bisa kita katakan tentang bintang neutron?

Para astronom telah mengamati semburan pendek sinar gamma selama beberapa dekade, namun tidak mengetahui secara pasti bagaimana hal itu terjadi. Asumsi utamanya adalah ledakan ini merupakan hasil penggabungan bintang neutron, dan kini pengamatan gelombang gravitasi dari peristiwa tersebut telah membenarkan teori tersebut.

Ketika bintang-bintang neutron bertabrakan, sebagian besar materialnya bergabung menjadi satu objek supermasif, memancarkan “bola api” sinar gamma (ledakan singkat sinar gamma terdeteksi dua detik setelah gelombang gravitasi). Setelah itu, apa yang disebut kilonova terjadi, ketika materi yang tersisa setelah tumbukan bintang neutron terbawa dari lokasi tumbukan, lalu memancarkan cahaya. Pengamatan spektrum radiasi ini memungkinkan untuk menentukan bahwa unsur-unsur berat seperti emas dilahirkan justru sebagai akibat dari kilonova. Para ilmuwan mengamati pijaran tersebut selama berminggu-minggu setelah kejadian tersebut, mengumpulkan data tentang proses yang terjadi di bintang-bintang, dan ini adalah pengamatan kilonova pertama yang dapat diandalkan.

Bintang neutron adalah objek super padat yang terbentuk setelah ledakan supernova. Tekanan dalam sebuah bintang sangat tinggi sehingga atom-atom individual tidak dapat ada, dan di dalam bintang terdapat "sup" cair yang terdiri dari neutron, proton, dan partikel lainnya. Untuk mendeskripsikan bintang neutron, para ilmuwan menggunakan persamaan keadaan yang menghubungkan tekanan dan kepadatan materi. Ada banyak kemungkinan persamaan keadaan, namun para ilmuwan tidak tahu mana yang benar, sehingga pengamatan gravitasi dapat membantu menyelesaikan pertanyaan tersebut. Pada titik ini, sinyal yang diamati tidak memberikan jawaban pasti, namun membantu memberikan perkiraan menarik tentang bentuk bintang (yang bergantung pada tarikan gravitasi bintang kedua).

Penemuan yang menarik adalah bahwa ledakan sinar gamma pendek yang diamati adalah yang paling dekat dengan Bumi, namun pada saat yang sama terlalu redup untuk jarak tersebut. Para ilmuwan telah mengemukakan beberapa kemungkinan penjelasan: mungkin kecerahan sinar gamma tidak merata, atau kita hanya melihat bagian tepinya saja. Namun, timbul pertanyaan: sebelumnya, para astronom tidak berasumsi bahwa semburan samar tersebut bisa terjadi begitu dekat, dan mungkinkah mereka melewatkan semburan samar yang sama, atau salah menafsirkannya sebagai semburan yang lebih jauh? Pengamatan gabungan dalam rentang gravitasi dan elektromagnetik dapat membantu memberikan jawaban, namun pada tingkat sensitivitas detektor seperti ini, pengamatan seperti itu akan sangat jarang terjadi - rata-rata 0,1-1,4 per tahun.

Selain radiasi gravitasi dan elektromagnetik, bintang neutron memancarkan aliran neutrino selama proses penggabungan. Detektor neutrino juga bekerja untuk mencari fluks dari peristiwa tersebut, tetapi tidak mendeteksi apa pun. Secara keseluruhan, hasil ini sesuai dengan yang diharapkan - seperti halnya ledakan sinar gamma, peristiwa tersebut terlalu redup (atau kita melihatnya dari sudut yang tinggi) sehingga detektor tidak dapat melihatnya.

Kecepatan gelombang gravitasi

Karena gelombang gravitasi dan sinyal cahaya berasal dari sumber yang sama dengan probabilitas yang sangat tinggi (5,3 sigma), dan sinyal cahaya pertama tiba 1,7 detik setelah sinyal gravitasi, kita dapat membatasi kecepatan rambat gelombang gravitasi dengan akurasi yang sangat tinggi. . Dengan asumsi bahwa cahaya dan gelombang gravitasi dipancarkan pada saat yang sama, dan penundaan antara sinyal disebabkan oleh kecepatan gravitasi, batas atas dapat diperoleh. Perkiraan yang lebih rendah dapat diperoleh dari model penggabungan bintang neutron: asumsikan bahwa cahaya dipancarkan 10 detik setelah gelombang gravitasi (saat semua proses seharusnya selesai) dan menyusul gelombang gravitasi pada saat mencapai Bumi. Hasilnya, kecepatan gravitasi sama dengan kecepatan cahaya dengan sangat presisi

Untuk perkiraan yang lebih rendah, Anda dapat menggunakan penundaan yang besar antar emisi, dan bahkan berasumsi bahwa sinyal cahaya dipancarkan terlebih dahulu, yang akan mengurangi akurasi secara proporsional. Namun bahkan dalam kasus ini, perkiraannya sangat akurat.

Dengan menggunakan pengetahuan yang sama tentang penundaan antar sinyal, Anda dapat secara signifikan meningkatkan keakuratan perkiraan invarian Lorentz (perbedaan antara perilaku gravitasi dan cahaya dalam transformasi Lorentz) dan prinsip kesetaraan.

Para ilmuwan mengukur konstanta Hubble dengan cara lain - dengan mengamati parameter radiasi latar gelombang mikro kosmik pada teleskop Planck, dan memperoleh nilai berbeda untuk konstanta Hubble, yang tidak sesuai dengan pengukuran SHoES. Perbedaan ini terlalu besar untuk dijadikan statistik, namun alasan perbedaan perkiraan tersebut belum diketahui. Oleh karena itu, diperlukan pengukuran yang independen.

Distribusi probabilitas konstanta Hubble menggunakan gelombang gravitasi (biru). Garis putus-putus menunjukkan interval 1σ dan 2σ (68,3% dan 95,4%). Sebagai perbandingan, interval 1σ dan 2σ ditampilkan untuk perkiraan sebelumnya: Planck (hijau) dan SHoES (oranye), yang tidak bertemu satu sama lain.

Dalam hal ini, gelombang gravitasi berperan sebagai lilin standar (dan disebut sirene standar). Dengan mengamati amplitudo sinyal di Bumi dan mensimulasikan amplitudonya di sumbernya, seseorang dapat memperkirakan seberapa besar penurunannya dan dengan demikian mengetahui jarak ke sumbernya - terlepas dari asumsi apa pun tentang konstanta Hubble atau pengukuran sebelumnya. Pengamatan sinyal cahaya memungkinkan kami menentukan galaksi tempat pasangan bintang neutron berada, dan kecepatan perpindahan galaksi ini telah diketahui dari pengukuran sebelumnya. Hubungan antara kecepatan dan jarak adalah konstanta Hubble. Penting agar perkiraan tersebut benar-benar independen dari perkiraan sebelumnya atau skala jarak kosmik.

Satu pengukuran saja tidak cukup untuk memecahkan misteri perbedaan estimasi Planck dan SHoES, namun secara keseluruhan estimasi tersebut sudah sesuai dengan nilai yang diketahui. Mengingat perkiraan sebelumnya didasarkan pada statistik yang dikumpulkan selama bertahun-tahun, ini merupakan hasil yang sangat signifikan.

Sedikit tentang LIGO dan gangguannya

Panel atas menunjukkan kesalahan pada data LIGO-Livingston, dan juga dengan jelas menunjukkan adanya kicauan. Panel bawah menunjukkan amplitudo osilasi tanpa dimensi, “regangan” (kuantitas yang kami gunakan untuk menggambarkan kekuatan sinyal di LIGO dan Virgo) pada saat terjadi kesalahan.
(hanya berlangsung sekitar 1/4 detik) tetapi sinyalnya sangat kuat. Penekanan mengurangi kesalahan ke tingkat kurva oranye, yang menunjukkan tingkat kebisingan latar belakang yang selalu ada di detektor LIGO.

Hanya satu detektor LIGO yang melihat sinyal dalam mode otomatis, karena kesalahan terjadi pada detektor Livingston pada saat kejadian. Istilah ini mengacu pada ledakan kebisingan yang mirip dengan letupan listrik statis pada penerima radio. Meskipun sinyal gelombang gravitasi terlihat jelas oleh mata manusia, otomatisasi memotong data tersebut. Oleh karena itu, kesalahan sinyal perlu dihilangkan sebelum data dapat digunakan oleh detektor. Gangguan muncul di detektor setiap saat - kira-kira setiap beberapa jam sekali. Para ilmuwan mengklasifikasikannya berdasarkan bentuk dan durasi dan menggunakan pengetahuan ini untuk meningkatkan detektor. Anda dapat membantu mereka melakukan hal ini dengan proyek GravitySpy, di mana pengguna mencari dan mengklasifikasikan gangguan pada data LIGO untuk membantu para ilmuwan.

Pertanyaan yang Belum Terjawab

Lubang hitam yang diketahui, bintang neutron dan penggabungannya. Ada wilayah bermassa sedang di mana kita tidak mengetahui apa pun tentang keberadaan benda padat. Kredit: LIGO-Virgo/Northwestern/Frank Elavsky

Kami mendeteksi gelombang gravitasi dari dua benda padat, dan pengamatan radiasi elektromagnetik menunjukkan bahwa salah satunya adalah bintang neutron. Tapi yang kedua mungkin juga merupakan lubang hitam bermassa rendah, dan meskipun belum pernah ada yang melihat lubang hitam seperti itu sebelumnya, secara teoritis lubang hitam tersebut bisa saja ada. Dari pengamatan GW170817 tidak dapat ditentukan secara pasti apakah itu merupakan tumbukan dua bintang neutron, meskipun kemungkinannya lebih besar.

Hal menarik kedua: menjadi apa objek ini setelah merger? Ia bisa menjadi bintang neutron supermasif (yang paling masif) atau lubang hitam paling ringan yang pernah diketahui. Sayangnya, data observasi tidak cukup untuk menjawab pertanyaan ini.

Kesimpulan

Mengamati penggabungan bintang neutron di semua panjang gelombang adalah peristiwa fisika yang sangat kaya. Jumlah data yang diperoleh para ilmuwan hanya dalam dua bulan ini memungkinkan mereka menyiapkan beberapa lusin publikasi, dan akan lebih banyak lagi ketika data tersebut tersedia untuk umum. Fisika bintang neutron jauh lebih kaya dan menarik daripada fisika lubang hitam - kita dapat secara langsung menguji fisika materi superpadat, serta mekanika kuantum dalam kondisi medan gravitasi yang kuat. Peluang unik ini pada akhirnya dapat membantu kita menemukan hubungan antara relativitas umum dan fisika kuantum yang selama ini belum kita ketahui.

Penemuan ini sekali lagi menunjukkan betapa pentingnya kerja sama dari ribuan orang dalam fisika modern.

Reddit AMA

Secara tradisional, ilmuwan LIGO menjawab pertanyaan pengguna di Reddit, saya sangat merekomendasikannya!
Ini akan terjadi mulai pukul 18:00 waktu Moskow pada 17 dan 18 Oktober. Tautan ke acara akan tersedia pada waktu mulai.

teori relativitas umum

teleskop hubble

teleskop papan

Tambahkan tanda

Pada tanggal 16 Oktober, para astronom melaporkan bahwa pada tanggal 17 Agustus, untuk pertama kalinya dalam sejarah, gelombang gravitasi dari penggabungan dua bintang neutron. 70 kelompok ilmuwan terlibat dalam observasi, dan 4.600 astronom - lebih dari sepertiga astronom di dunia - menjadi salah satu penulis salah satu artikel yang ditujukan untuk acara ini. Situs web N+1 menjelaskan dalam artikel panjang mengapa penemuan ini penting dan pertanyaan apa yang dapat dijawabnya.

Bagaimana semua itu bisa terjadi?

Pada 17 Agustus 2017, pukul 15:41:04 waktu Moskow, detektor observatorium LIGO di Hanford (Washington) mendengar gelombang gravitasi yang mencapai rekor panjang - sinyalnya bertahan sekitar seratus detik. Ini adalah jangka waktu yang sangat lama - sebagai perbandingan, empat rekaman gelombang gravitasi sebelumnya hanya berlangsung tidak lebih dari tiga detik. Program notifikasi otomatis telah diaktifkan. Para astronom memeriksa datanya: ternyata detektor LIGO kedua (di Louisiana) juga mendeteksi gelombang tersebut, tetapi pemicu otomatisnya tidak berfungsi karena kebisingan jangka pendek.

1,7 detik lebih lambat dari detektor Hanford, sistem otomatis teleskop Fermi dan Integral, observatorium sinar gamma kosmik yang mengamati beberapa peristiwa berenergi paling tinggi di Alam Semesta, yang dipicu secara independen. Instrumen mendeteksi kilatan terang dan kira-kira menentukan koordinatnya. Berbeda dengan sinyal gravitasi, kilatan cahaya hanya berlangsung selama dua detik. Menariknya, “Integral” Rusia-Eropa memperhatikan ledakan sinar gamma dengan “penglihatan lateral” – “kristal pelindung” dari detektor utama. Namun, hal ini tidak mencegah triangulasi sinyal.

Sekitar satu jam kemudian, LIGO mengirimkan informasi tentang kemungkinan koordinat sumber gelombang gravitasi - area ini diidentifikasi berkat fakta bahwa detektor Virgo juga memperhatikan sinyal tersebut. Berdasarkan penundaan saat detektor mulai menerima sinyal, menjadi jelas bahwa, kemungkinan besar, sumbernya berada di belahan bumi selatan: sinyal pertama kali mencapai Virgo dan baru kemudian, 22 milidetik kemudian, direkam oleh observatorium LIGO. Luas awal yang direkomendasikan untuk pencarian mencapai 28 derajat persegi, setara dengan ratusan luas Bulan.

Langkah selanjutnya adalah menggabungkan data dari sinar gamma dan observatorium gravitasi dan mencari sumber radiasi yang tepat. Karena baik teleskop sinar gamma, maupun teleskop gravitasi, tidak mampu menemukan titik yang diperlukan dengan akurasi tinggi, fisikawan memulai beberapa pencarian optik sekaligus. Salah satunya adalah dengan bantuan sistem teleskop robotik “MASTER” yang dikembangkan di SAI MSU.

Pengamatan kilonova Observatorium Selatan EropaObservatorium Selatan Eropa (ESO)

Teleskop Swope meteran Chili berhasil mendeteksi suar yang diinginkan di antara ribuan kandidat yang mungkin - hampir 11 jam setelah gelombang gravitasi. Para astronom telah mendeteksi titik bercahaya baru di galaksi NGC 4993 di konstelasi Hydra, kecerahannya tidak melebihi magnitudo 17. Objek seperti itu cukup mudah diakses untuk diamati menggunakan teleskop semi-profesional.

Dalam waktu sekitar satu jam setelah ini, secara terpisah dari Swope, empat observatorium lagi menemukan sumbernya, termasuk teleskop Argentina dari jaringan MASTER. Setelah ini, kampanye observasi skala besar dimulai, yang diikuti oleh teleskop dari Observatorium Eropa Selatan, Hubble, Chandra, rangkaian teleskop radio VLA dan banyak instrumen lainnya - secara total, lebih dari 70 kelompok ilmuwan mengamati perkembangannya. acara. Setelah sembilan hari, para astronom dapat memperoleh gambar dalam rentang sinar-X, dan setelah 16 hari - dalam rentang frekuensi radio. Sayangnya, setelah beberapa waktu Matahari mendekati galaksi dan pada bulan September pengamatan menjadi tidak mungkin dilakukan.

Apa yang menyebabkan ledakan itu?

Pola ledakan yang khas di banyak rentang elektromagnetik telah diprediksi dan dijelaskan sejak lama. Ini berhubungan dengan tumbukan dua bintang neutron - benda ultra-kompak yang terdiri dari materi neutron.

Menurut para ilmuwan, massa bintang neutron adalah 1,1 dan 1,6 massa matahari (massa total ditentukan secara relatif akurat - sekitar 2,7 massa matahari). Gelombang gravitasi pertama muncul ketika jarak antar benda 300 kilometer.

Kejutan besarnya adalah jarak yang kecil dari sistem ini ke Bumi - sekitar 130 juta tahun cahaya. Sebagai perbandingan, jarak ini hanya 50 kali lebih jauh dibandingkan jarak dari Bumi ke Nebula Andromeda, dan hampir satu urutan besarnya lebih kecil dari jarak dari planet kita ke lubang hitam yang tabrakannya sebelumnya dicatat oleh LIGO dan Virgo. Selain itu, tabrakan tersebut menjadi sumber ledakan sinar gamma pendek terdekat dengan Bumi.

Bintang neutron biner telah dikenal sejak tahun 1974 - salah satu sistem tersebut ditemukan oleh peraih Nobel Russell Hulse dan Joseph Taylor. Namun, hingga saat ini, semua bintang neutron ganda yang diketahui ada di Galaksi kita, dan stabilitas orbitnya cukup sehingga tidak akan bertabrakan selama jutaan tahun mendatang. Pasangan bintang baru ini mendekat begitu dekat sehingga interaksi dimulai dan proses perpindahan materi mulai berkembang.

Tabrakan dua bintang neutron. Animasi NASA

Peristiwa tersebut dinamakan kilonova. Secara harfiah, ini berarti bahwa kecerahan suar itu sekitar seribu kali lebih kuat daripada suar khas nova - sistem biner di mana pendamping kompak menarik materi ke arah dirinya sendiri.

Apa maksudnya semua ini?

Berbagai data yang dikumpulkan telah memungkinkan para ilmuwan untuk menyebut peristiwa tersebut sebagai landasan astronomi gelombang gravitasi di masa depan. Berdasarkan hasil pengolahan data selama dua bulan, sekitar 30 artikel telah ditulis di jurnal besar: tujuh di Alam Dan Sains, serta bekerja di Surat Jurnal Astrofisika dan publikasi ilmiah lainnya. Salah satu makalah ini ditulis bersama oleh 4.600 astronom dari berbagai kolaborasi—lebih dari sepertiga astronom di dunia.

Ini adalah pertanyaan kunci yang pertama kalinya dapat dijawab oleh para ilmuwan.

Apa yang memicu ledakan sinar gamma singkat?

Semburan sinar gamma adalah salah satu peristiwa berenergi paling tinggi di alam semesta. Kekuatan satu ledakan tersebut cukup untuk melepaskan energi ke ruang sekitarnya dalam hitungan detik sebanyak energi yang dihasilkan Matahari dalam 10 juta tahun. Ada semburan sinar gamma pendek dan panjang; Selain itu, diyakini bahwa ini adalah fenomena yang berbeda mekanismenya. Misalnya, runtuhnya bintang masif dianggap sebagai sumber ledakan yang berkepanjangan.

Sumber semburan sinar gamma pendek diyakini berasal dari penggabungan bintang neutron. Namun sejauh ini belum ada bukti langsung mengenai hal tersebut. Pengamatan baru ini merupakan bukti terkuat hingga saat ini mengenai keberadaan mekanisme ini.

Dari manakah asal emas dan unsur berat lainnya di alam semesta?

Nukleosintesis - fusi inti pada bintang - memungkinkan diperolehnya sejumlah besar unsur kimia. Untuk inti ringan, reaksi fusi berlangsung dengan pelepasan energi dan umumnya menguntungkan secara energetik. Untuk unsur-unsur yang massanya mendekati massa besi, perolehan energinya tidak lagi terlalu besar. Oleh karena itu, hampir tidak ada unsur yang lebih berat dari besi yang terbentuk di bintang - kecuali ledakan supernova. Namun hal tersebut tidak cukup untuk menjelaskan prevalensi emas, lantanida, uranium, dan unsur berat lainnya di alam semesta.

Pada tahun 1989, fisikawan menyatakan bahwa nukleosintesis r dalam penggabungan bintang neutron mungkin bertanggung jawab. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang ini di blog astrofisikawan Marat Musin. Hingga saat ini, proses tersebut hanya diketahui secara teori.

Studi spektral terhadap peristiwa baru tersebut menunjukkan jejak yang jelas dari lahirnya unsur-unsur berat. Jadi, berkat spektrometer Very Large Telescope (VLT) dan Hubble, para astronom menemukan keberadaan cesium, telurium, emas, dan platinum. Ada juga bukti pembentukan xenon, yodium dan antimon. Fisikawan memperkirakan tabrakan tersebut melontarkan massa total unsur ringan dan berat yang setara dengan 40 kali massa Jupiter. Emas sendiri, menurut model teoritis, menghasilkan sekitar 10 kali massa Bulan.

Berapa konstanta Hubble?

Laju perluasan Alam Semesta dapat diperkirakan secara eksperimental dengan menggunakan “lilin standar” khusus. Ini adalah objek yang kecerahan absolutnya diketahui, artinya hubungan antara kecerahan absolut dan kecerahan semu dapat digunakan untuk menyimpulkan seberapa jauh jarak objek tersebut. Laju pemuaian pada jarak tertentu dari pengamat ditentukan oleh pergeseran Doppler, misalnya garis hidrogen. Peran "lilin standar" dimainkan, misalnya, oleh supernova tipe Ia ("ledakan" katai putih) - omong-omong, perluasan alam semesta terbukti dalam sampel mereka.

Mengamati penggabungan dua bintang neutron dari teleskop di Paranal Observatory (Chili)European Southern Observatory (ESO)

Konstanta Hubble menentukan ketergantungan linier dari laju ekspansi Alam Semesta pada jarak tertentu. Setiap penentuan nilainya secara independen memungkinkan kita memverifikasi validitas kosmologi yang diterima.

Sumber gelombang gravitasi juga merupakan “lilin standar” (atau, sebagaimana disebut dalam artikel, “sirene”). Berdasarkan sifat gelombang gravitasi yang diciptakannya, seseorang dapat secara mandiri menentukan jarak ke gelombang tersebut. Inilah yang dimanfaatkan para astronom dalam salah satu karya barunya. Hasilnya bertepatan dengan pengukuran independen lainnya – berdasarkan radiasi latar gelombang mikro kosmik dan pengamatan objek berlensa gravitasi. Konstanta tersebut kira-kira 62–82 kilometer per detik per megaparsec. Artinya, dua galaksi yang berjarak 3,2 juta tahun cahaya rata-rata bergerak menjauh dengan kecepatan 70 kilometer per detik. Penggabungan bintang neutron baru akan membantu meningkatkan keakuratan perkiraan ini.

Bagaimana cara kerja gravitasi?

Teori relativitas yang diterima secara umum saat ini secara akurat memprediksi perilaku gelombang gravitasi. Namun, teori gravitasi kuantum belum dikembangkan. Ada beberapa hipotesis tentang bagaimana hal itu dapat disusun - ini adalah desain teoretis dengan sejumlah besar parameter yang tidak diketahui. Pengamatan simultan terhadap radiasi elektromagnetik dan gelombang gravitasi akan memperjelas dan mempersempit batasan parameter ini, serta membuang beberapa hipotesis.

Misalnya, fakta bahwa gelombang gravitasi tiba 1,7 detik sebelum sinar gamma menegaskan bahwa gelombang tersebut memang bergerak dengan kecepatan cahaya. Selain itu, penundaan itu sendiri dapat digunakan untuk menguji prinsip kesetaraan yang mendasari relativitas umum.

Bagaimana cara kerja bintang neutron?

Kita mengetahui struktur bintang neutron hanya secara umum. Mereka memiliki kerak unsur berat dan inti neutron - tetapi, misalnya, kita masih belum mengetahui persamaan keadaan materi neutron di dalam inti. Dan hal ini bergantung, misalnya, jawaban atas pertanyaan sederhana: apa sebenarnya yang terbentuk selama tabrakan yang diamati oleh para astronom?

Visualisasi gelombang gravitasi dari penggabungan dua bintang neutron

Seperti katai putih, bintang neutron memiliki konsep massa kritis, yang di atasnya keruntuhan dapat dimulai. Tergantung pada apakah massa benda baru tersebut telah melebihi massa kritis atau tidak, ada beberapa skenario untuk perkembangan peristiwa lebih lanjut. Jika massa totalnya ternyata terlalu besar, maka benda tersebut akan langsung runtuh ke dalam lubang hitam. Jika massanya sedikit lebih kecil, maka bintang neutron yang berputar cepat dan tidak seimbang dapat muncul, yang pada akhirnya juga akan runtuh menjadi lubang hitam. Pilihan alternatifnya adalah pembentukan magnetar, lubang neutron yang berputar cepat dengan medan magnet yang sangat besar. Rupanya, magnetar tidak terbentuk dalam tumbukan tersebut; radiasi sinar-X keras yang menyertainya tidak terdeteksi.

Menurut Vladimir Lipunov, kepala jaringan MASTER, data yang tersedia saat ini tidak cukup untuk mengetahui apa sebenarnya yang terbentuk sebagai hasil merger. Namun, para astronom sudah memiliki sejumlah teori yang akan dipublikasikan dalam beberapa hari mendatang. Massa kritis yang diinginkan dapat ditentukan dari penggabungan bintang neutron di masa depan.

Vladimir Korolev, T+1

Ilmuwan Rusia sebagai bagian dari kolaborasi LIGO dan Virgo untuk pertama kalinya mendeteksi gelombang gravitasi dari penggabungan dua bintang neutron. Ini adalah peristiwa kosmik pertama yang diamati pada gelombang gravitasi dan elektromagnetik. Penemuan ini dipresentasikan hari ini pada konferensi pers di Washington dan Moskow. Hasilnya juga akan dipublikasikan di jurnal Physical Review Letters.

Dua minggu setelah Hadiah Nobel Fisika dianugerahkan kepada tiga peneliti AS atas penemuan gelombang gravitasi, kolaborasi LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, AS) dan Virgo (observatorium serupa di Italia) mengumumkan bahwa mereka telah mendeteksi gelombang gravitasi pertama. gelombang gravitasi waktu dari penggabungan dua neutron, bintang, dan fenomena ini diamati pada interferometer laser yang merekam gelombang gravitasi, menggunakan observatorium luar angkasa (Integral, Fermi) dan teleskop berbasis darat yang merekam radiasi elektromagnetik. Secara total, fenomena ini diamati oleh sekitar 70 observatorium darat dan luar angkasa di seluruh dunia, termasuk jaringan teleskop robotik MASTER (M.V. Lomonosov Moscow State University).

“Deteksi langsung gelombang gravitasi pertama dari tabrakan lubang hitam oleh observatorium LIGO terjadi sekitar dua tahun lalu. Jendela baru menuju alam semesta telah terbuka. Saat ini kita sudah melihat peluang yang belum pernah terjadi sebelumnya yang diciptakan oleh saluran baru untuk memperoleh informasi yang dikombinasikan dengan astronomi tradisional ini bagi para peneliti,” kata Valery Mitrofanov, profesor di Fakultas Fisika di Universitas Negeri Moskow.

Pada 17 Agustus, kedua detektor LIGO mendeteksi sinyal gravitasi yang disebut GW170817. Informasi yang diberikan oleh detektor Virgo ketiga telah meningkatkan lokalisasi peristiwa kosmik secara signifikan. Hampir pada saat yang bersamaan (sekitar dua detik setelah gelombang gravitasi), Teleskop Luar Angkasa Fermi Gamma-Ray milik NASA dan INTEGRAL International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) mendeteksi semburan sinar gamma. Pada hari-hari berikutnya, radiasi elektromagnetik terekam dalam rentang lain, termasuk gelombang sinar-X, ultraviolet, optik, inframerah, dan radio.

Sinyal dari detektor LIGO menunjukkan bahwa gelombang gravitasi yang terdeteksi dipancarkan oleh dua objek astrofisika yang berputar relatif satu sama lain dan terletak pada jarak yang relatif dekat, sekitar 130 juta tahun cahaya, dari Bumi. Ternyata objek tersebut kurang masif dibandingkan lubang hitam biner yang sebelumnya ditemukan oleh LIGO dan Virgo. Massanya dihitung antara 1,1 dan 1,6 massa matahari, yang termasuk dalam kisaran massa bintang neutron, bintang terkecil dan terpadat. Radius tipikal mereka hanya 10-20 kilometer.

Setelah mendapat koordinatnya, dalam waktu beberapa jam pihak observatorium sudah bisa mulai mencari area langit tempat peristiwa tersebut diduga terjadi. Titik terang baru yang menyerupai nova ditemukan oleh teleskop optik. Pada akhirnya, sekitar 70 observatorium di Bumi dan di luar angkasa mengamati peristiwa tersebut dalam berbagai rentang panjang gelombang. Pada hari-hari setelah tabrakan, radiasi elektromagnetik terekam dalam rentang sinar-X, ultraviolet, optik, inframerah, dan gelombang radio.

“Untuk pertama kalinya, berbeda dengan penggabungan lubang hitam yang “sepi”, peristiwa “perusahaan” dicatat tidak hanya oleh detektor gravitasi, tetapi juga oleh teleskop optik dan neutrino. Ini adalah tarian observasi pertama di sekitar satu peristiwa,” kata seorang profesor di Fakultas Fisika Universitas Negeri Moskow yang diberi nama M.V. Lomonosov Sergey Vyatchanin.

Para ahli teori meramalkan bahwa merger tersebut akan menghasilkan "kilonova". Ini adalah fenomena di mana material sisa tumbukan bintang neutron bersinar terang dan terlontar dari daerah tumbukan jauh ke luar angkasa. Hal ini menciptakan proses yang menghasilkan unsur-unsur berat seperti timah dan emas. Mengamati sisa-sisa penggabungan bintang neutron memberikan informasi tambahan tentang berbagai tahap penggabungan, interaksi objek yang dihasilkan dengan lingkungannya, dan proses yang menghasilkan unsur-unsur terberat di Alam Semesta.

“Selama proses fusi, terbentuknya unsur-unsur berat tercatat. Oleh karena itu, kita bahkan dapat berbicara tentang pabrik galaksi untuk produksi unsur-unsur berat, termasuk emas, karena logam inilah yang paling menarik minat penduduk bumi. Para ilmuwan mulai mengusulkan model yang dapat menjelaskan parameter yang diamati dari penggabungan ini,” kata Vyatchanin.

MOSKOW, 16 Oktober. /TASS/. Detektor LIGO (Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, USA) dan Virgo (observatorium serupa di Italia) adalah yang pertama mendeteksi gelombang gravitasi dari penggabungan dua bintang neutron. Penemuan ini diumumkan pada Senin saat konferensi pers internasional yang digelar serentak di Moskow, Washington, dan sejumlah kota di negara lain.

“Para ilmuwan untuk pertama kalinya mencatat gelombang gravitasi dari penggabungan dua bintang neutron, dan fenomena ini diamati tidak hanya dengan interferometer laser yang merekam gelombang gravitasi, tetapi juga dengan bantuan observatorium luar angkasa (INTEGRAL, Fermi) dan teleskop berbasis darat. yang merekam radiasi elektromagnetik. Secara total, fenomena ini diamati di sekitar 70 observatorium darat dan luar angkasa di seluruh dunia, termasuk jaringan teleskop robotik MASTER (M.V. Lomonosov Moscow State University), ”kata layanan pers Universitas Negeri Moskow.

Kapan dan bagaimana Anda mendaftar?

Penemuan tersebut, yang dilaporkan para ilmuwan pada hari Senin, dilakukan pada 17 Agustus. Kemudian kedua detektor LIGO mencatat sinyal gravitasi yang disebut GW170817. Informasi yang diberikan oleh detektor Virgo ketiga telah meningkatkan lokalisasi peristiwa kosmik secara signifikan.

Hampir pada saat yang bersamaan, sekitar dua detik setelah gelombang gravitasi, Teleskop Luar Angkasa Fermi Gamma-Ray milik NASA dan INTERnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL mendeteksi semburan sinar gamma. Pada hari-hari berikutnya, para ilmuwan mencatat radiasi elektromagnetik dalam rentang lain, termasuk gelombang sinar-X, ultraviolet, optik, inframerah, dan radio.

Sinyal dari detektor LIGO menunjukkan bahwa gelombang gravitasi yang terdeteksi dipancarkan oleh dua objek astrofisika yang berputar relatif satu sama lain dan terletak pada jarak yang relatif dekat – sekitar 130 juta tahun cahaya – dari Bumi. Ternyata objek tersebut kurang masif dibandingkan lubang hitam biner yang sebelumnya ditemukan oleh LIGO dan Virgo. Massanya dihitung antara 1,1 dan 1,6 massa matahari, yang termasuk dalam kisaran massa bintang neutron, bintang terkecil dan terpadat. Radius khasnya hanya 10-20 km.

Meskipun sinyal dari penggabungan lubang hitam biner biasanya berada dalam rentang sensitivitas detektor LIGO selama sepersekian detik, sinyal yang direkam pada 17 Agustus berlangsung sekitar 100 detik. Sekitar dua detik setelah penggabungan bintang-bintang, terjadi kilatan radiasi gamma, yang direkam oleh teleskop sinar gamma luar angkasa.

Deteksi cepat gelombang gravitasi oleh tim LIGO-Virgo, dikombinasikan dengan deteksi sinar gamma, memungkinkan pengamatan melalui teleskop optik dan radio di seluruh dunia.

Setelah mendapat koordinat tersebut, beberapa observatorium dapat memulai pencarian dalam beberapa jam di wilayah langit tempat peristiwa tersebut diduga terjadi. Titik terang baru, menyerupai nova, terdeteksi oleh teleskop optik, dan akhirnya sekitar 70 observatorium di bumi dan di luar angkasa mengamati peristiwa tersebut dalam berbagai rentang panjang gelombang.

Pada hari-hari setelah tabrakan, radiasi elektromagnetik terekam dalam rentang sinar-X, ultraviolet, optik, inframerah, dan gelombang radio.

"Untuk pertama kalinya, berbeda dengan penggabungan lubang hitam yang "sendirian", peristiwa "perusahaan" dicatat tidak hanya oleh detektor gravitasi, tetapi juga oleh teleskop optik dan neutrino. Ini adalah pengamatan putaran pertama di sekitar satu peristiwa. ,” kata Sergei Vyatchanin, profesor Fakultas Fisika Universitas Negeri Moskow, yang merupakan bagian dari kelompok ilmuwan Rusia yang berpartisipasi dalam pengamatan fenomena tersebut, dipimpin oleh Valery Mitrofanov, profesor di Fakultas Fisika di Negeri Moskow. Universitas.

Para ahli teori memperkirakan bahwa bintang-bintang neutron yang bertabrakan akan memancarkan gelombang gravitasi dan sinar gamma, serta mengeluarkan pancaran material yang kuat, disertai dengan emisi gelombang elektromagnetik dalam rentang frekuensi yang luas.

Semburan sinar gamma yang terdeteksi disebut ledakan sinar gamma pendek. Sebelumnya, para ilmuwan hanya memperkirakan bahwa semburan sinar gamma pendek dihasilkan selama penggabungan bintang-bintang neutron, namun kini hal tersebut telah dikonfirmasi oleh pengamatan. Namun terlepas dari kenyataan bahwa sumber ledakan sinar gamma pendek yang terdeteksi adalah salah satu yang paling dekat dengan Bumi yang terlihat sejauh ini, ledakan itu sendiri secara tak terduga lemah untuk jarak tersebut. Kini para ilmuwan harus menemukan penjelasan atas fakta ini.

Dengan kecepatan cahaya

Pada saat tabrakan, bagian utama dari dua bintang neutron bergabung menjadi satu objek ultrapadat yang memancarkan sinar gamma. Pengukuran pertama sinar gamma, dikombinasikan dengan deteksi gelombang gravitasi, mengkonfirmasi prediksi teori relativitas umum Einstein, yaitu gelombang gravitasi merambat dengan kecepatan cahaya.

"Teknologi YouTube/Georgia"

“Dalam semua kasus sebelumnya, sumber gelombang gravitasi adalah penggabungan lubang hitam. Paradoksnya, lubang hitam adalah objek yang sangat sederhana yang hanya terdiri dari ruang melengkung dan oleh karena itu sepenuhnya dijelaskan oleh hukum relativitas umum yang terkenal. struktur bintang neutron dan, khususnya, persamaan keadaan materi neutron masih belum diketahui secara pasti. Oleh karena itu, mempelajari sinyal dari penggabungan bintang neutron akan memungkinkan kita memperoleh sejumlah besar informasi baru juga tentang sifat-sifat materi superpadat dalam kondisi ekstrim. ,” kata Farit Khalili, profesor di Fakultas Fisika Universitas Negeri Moskow, yang juga merupakan bagian dari kelompok Mitrofanov.

Pabrik Elemen Berat

Para ahli teori meramalkan bahwa merger tersebut akan menghasilkan "kilonova". Ini adalah fenomena di mana material sisa tumbukan bintang neutron bersinar terang dan terlontar dari daerah tumbukan jauh ke luar angkasa. Hal ini menciptakan proses yang menghasilkan unsur-unsur berat seperti timah dan emas. Pengamatan pasca-cahaya penggabungan bintang neutron memberikan informasi tambahan tentang berbagai tahapan penggabungan, interaksi objek yang dihasilkan dengan lingkungannya, dan proses yang menghasilkan unsur-unsur terberat di Alam Semesta.

"Selama proses penggabungan, pembentukan unsur-unsur berat tercatat. Oleh karena itu, kita bahkan dapat berbicara tentang pabrik galaksi untuk produksi unsur-unsur berat, termasuk emas - lagipula, logam inilah yang paling menarik minat penduduk bumi. Para ilmuwan adalah mulai mengusulkan model yang akan menjelaskan parameter yang diamati dari merger ini,” - kata Vyatchanin.

Tentang kolaborasi LIGO-LSC

Kolaborasi ilmiah LIGO-LSC (LIGO Scientific Collaboration) mempertemukan lebih dari 1.200 ilmuwan dari 100 lembaga di berbagai negara. Observatorium LIGO dibangun dan dioperasikan oleh Institut Teknologi California dan Institut Teknologi Massachusetts. Mitra LIGO adalah kolaborasi Virgo, yang mencakup 280 ilmuwan dan insinyur Eropa dari 20 kelompok penelitian. Detektor Virgo terletak di dekat Pisa (Italia).

Dua tim ilmiah dari Rusia mengambil bagian dalam penelitian Kolaborasi Ilmiah LIGO: kelompok dari Fakultas Fisika Universitas Negeri Moskow dinamai M.V. Lomonosov dan kelompok dari Institut Fisika Terapan Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia (Nizhny Novgorod). Penelitian ini didukung oleh Yayasan Penelitian Dasar Rusia dan Yayasan Sains Rusia.

Detektor LIGO pertama kali mendeteksi gelombang gravitasi dari tabrakan lubang hitam pada tahun 2015, dan penemuan tersebut diumumkan pada konferensi pers pada bulan Februari 2016. Pada tahun 2017, fisikawan Amerika Rainer Weiss, Kip Thorne, dan Berry Barish memenangkan Hadiah Nobel Fisika atas kontribusi penting mereka pada proyek LIGO, serta “pengamatan gelombang gravitasi.”

Hasil observasi di masa depan mungkin bisa mengungkap misteri struktur bintang neutron dan pembentukan unsur berat di Alam Semesta.

Penggambaran seniman tentang gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh penggabungan dua bintang neutron

Gambar: R. Hurt/Caltech-JPL

Moskow. 16 Oktober. situs web - Untuk pertama kalinya dalam sejarah, para ilmuwan telah mencatat gelombang gravitasi dari penggabungan dua bintang neutron - benda super padat dengan massa seukuran Matahari kita dan seukuran Moskow, lapor situs web N+1.

Ledakan sinar gamma dan ledakan kilonova berikutnya diamati oleh sekitar 70 observatorium berbasis darat dan luar angkasa - mereka mampu melihat proses sintesis unsur-unsur berat yang diprediksi oleh para ahli teori, termasuk emas dan platinum, dan mengkonfirmasi kebenaran hipotesis tentang sifat semburan sinar gamma pendek yang misterius, layanan pers kolaborasi melaporkan LIGO/Virgo, European Southern Observatory dan Los Cumbres Observatory. Hasil pengamatan tersebut mungkin dapat mengungkap misteri struktur bintang neutron dan pembentukan unsur berat di alam semesta.

Gelombang gravitasi merupakan gelombang getaran dalam geometri ruang-waktu yang keberadaannya telah diprediksi oleh teori relativitas umum. Kolaborasi LIGO pertama kali melaporkan penemuan mereka yang dapat dipercaya pada bulan Februari 2016 – 100 tahun setelah prediksi Einstein.

Kabarnya, pada pagi hari tanggal 17 Agustus 2017 (pukul 08.41 waktu Pantai Timur, saat waktu menunjukkan pukul 15.41 di Moskow), sistem otomatis pada salah satu dari dua detektor di observatorium gelombang gravitasi LIGO mendeteksi kedatangan gelombang gravitasi dari luar angkasa. Sinyal tersebut diberi nama GW170817, gelombang gravitasi kelima kalinya terdeteksi sejak pertama kali terdeteksi pada tahun 2015. Hanya tiga hari sebelumnya, observatorium LIGO “mendengar” gelombang gravitasi untuk pertama kalinya, bersamaan dengan proyek Virgo Eropa.

Namun kali ini, hanya dua detik setelah peristiwa gravitasi, teleskop luar angkasa Fermi mencatat kilatan sinar gamma di langit selatan. Hampir pada saat yang sama, observatorium luar angkasa Eropa-Rusia INTEGRAL melihat kilatan cahaya.

Sistem analisis data otomatis LIGO menyimpulkan bahwa dua peristiwa ini sangat tidak mungkin terjadi secara kebetulan. Selama pencarian informasi tambahan, ditemukan bahwa gelombang gravitasi juga terlihat oleh detektor LIGO kedua, serta observatorium gravitasi Virgo Eropa. Para astronom di seluruh dunia disiagakan - banyak observatorium, termasuk European Southern Observatory dan Hubble Space Telescope, mulai memburu sumber gelombang gravitasi dan ledakan sinar gamma.

Tugasnya tidak mudah - data gabungan dari LIGO/Virgo, Fermi dan INTEGRAL memungkinkan untuk menguraikan area seluas 35 derajat persegi - ini adalah perkiraan luas beberapa ratus piringan bulan. Hanya 11 jam kemudian, teleskop kecil Swope dengan cermin sepanjang satu meter yang terletak di Chili mengambil gambar pertama dari sumber yang diduga - tampak seperti bintang yang sangat terang di sebelah galaksi elips NGC 4993 di konstelasi Hydra. Selama lima hari berikutnya, kecerahan sumbernya turun 20 kali lipat, dan warnanya berangsur-angsur berubah dari biru menjadi merah. Selama ini objek tersebut diamati oleh banyak teleskop dalam rentang sinar-X hingga inframerah, hingga pada bulan September galaksi tersebut terlalu dekat dengan Matahari dan tidak dapat diakses untuk observasi.

Para ilmuwan menyimpulkan bahwa sumber suar tersebut berada di galaksi NGC 4993 yang berjarak sekitar 130 juta tahun cahaya dari Bumi. Jaraknya sangat dekat; hingga saat ini, gelombang gravitasi telah mencapai kita dari jarak miliaran tahun cahaya. Berkat kedekatan ini, kami dapat mendengarnya. Sumber gelombangnya adalah penggabungan dua benda dengan massa berkisar antara 1,1 hingga 1,6 massa matahari - ini hanya bintang neutron.

Lokalisasi sumber gelombang gravitasi di galaksi NGC 4993

Semburan itu sendiri “berbunyi” untuk waktu yang sangat lama - sekitar 100 detik; semburan yang berlangsung sepersekian detik dihasilkan. Sepasang bintang neutron berputar mengelilingi pusat massa yang sama, secara bertahap kehilangan energi dalam bentuk gelombang gravitasi dan semakin mendekat. Ketika jarak antara mereka dikurangi menjadi 300 km, gelombang gravitasi menjadi cukup kuat untuk masuk ke zona sensitivitas detektor gravitasi LIGO/Virgo. Bintang-bintang neutron berhasil menyelesaikan 1,5 ribu putaran mengelilingi satu sama lain. Ketika dua bintang neutron bergabung menjadi satu objek kompak (bintang neutron atau lubang hitam), terjadi ledakan radiasi gamma yang kuat.

Para astronom menyebut semburan sinar gamma ini sebagai semburan sinar gamma pendek; teleskop sinar gamma mendeteksinya sekitar seminggu sekali. Semburan sinar gamma singkat yang dilaporkan dari penggabungan bintang neutron berlangsung selama 1,7 detik.

Jika sifat semburan sinar gamma panjang lebih jelas (sumbernya adalah ledakan supernova), maka belum ada konsensus mengenai sumber semburan pendek. Ada hipotesis bahwa mereka dihasilkan oleh penggabungan bintang-bintang neutron.

Sekarang para ilmuwan telah dapat mengkonfirmasi hipotesis ini untuk pertama kalinya, karena berkat gelombang gravitasi kita mengetahui massa komponen yang bergabung, yang membuktikan bahwa ini adalah bintang neutron.

“Selama beberapa dekade kami menduga bahwa ledakan sinar gamma pendek menghasilkan penggabungan bintang neutron. Kini, berkat data dari LIGO dan Virgo tentang peristiwa ini, kami memiliki jawabannya. Gelombang gravitasi memberi tahu kita bahwa objek yang bergabung memiliki massa yang setara dengan bintang neutron, dan ledakan sinar gamma menunjukkan "bahwa objek-objek ini kemungkinan besar bukan lubang hitam, karena tabrakan lubang hitam seharusnya tidak menghasilkan radiasi," kata Julie McEnery, ilmuwan proyek Fermi di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA.

Sumber emas dan platinum

Selain itu, para astronom untuk pertama kalinya menerima konfirmasi yang jelas tentang keberadaan flare kilonova (atau “macron”), yang kira-kira 1.000 kali lebih kuat daripada flare nova biasa. Para ahli teori meramalkan bahwa kilonova dapat muncul dari penggabungan bintang neutron atau bintang neutron dan lubang hitam.

Hal ini memicu proses sintesis unsur-unsur berat, berdasarkan penangkapan neutron oleh inti atom (proses r), yang mengakibatkan banyak unsur berat seperti emas, platina, atau uranium muncul di Alam Semesta.

Menurut para ilmuwan, satu ledakan kilonova dapat menghasilkan emas dalam jumlah besar - hingga sepuluh kali massa Bulan. Sejauh ini, hanya sekali peristiwa yang bisa jadi merupakan ledakan kilonova yang teramati.

Kini, untuk pertama kalinya, para astronom tidak hanya mampu mengamati kelahiran kilonova, namun juga hasil “hasil kerja”nya. Spektrum yang diperoleh dengan menggunakan teleskop Hubble dan VLT (Very Large Telescope) menunjukkan adanya cesium, telurium, emas, platina dan unsur berat lainnya yang terbentuk selama penggabungan bintang neutron.

11 jam setelah tumbukan, suhu kilonova mencapai 8 ribu derajat, dan kecepatan pemuaiannya mencapai sekitar 100 ribu kilometer per detik, catat N+1, mengutip data dari Sternberg State Astronomical Institute (SAI).

ESO mengatakan pengamatan tersebut hampir sesuai dengan prediksi tentang bagaimana kedua bintang neutron akan berperilaku selama penggabungan.

“Sejauh ini, data yang kami peroleh sangat sesuai dengan teori. Ini merupakan kemenangan bagi para ahli teori, konfirmasi atas realitas absolut dari peristiwa yang dicatat oleh observatorium LIGO dan VIrgo, dan pencapaian luar biasa bagi ESO, yang mampu untuk mendapatkan pengamatan kilonova seperti itu,” kata Stefano Covino, penulis pertama salah satu artikel di Nature Astronomy.

Beginilah cara para astronom melihat tabrakan bintang neutron

Para ilmuwan belum memiliki jawaban atas pertanyaan tentang apa yang tersisa setelah penggabungan bintang-bintang neutron - bisa berupa lubang hitam atau bintang neutron baru, selain itu, tidak sepenuhnya jelas mengapa ledakan sinar gamma terjadi. menjadi relatif lemah.