Событие GW170817¶

GW170817 — это гравитационно-волновое событие, зарегистрированное 17 августа 2017 года детекторами LIGO и Virgo, представляющее собой первый в истории наблюдённый случай слияния двух нейтронных звёзд. Это событие стало уникальным в астрофизике, так как впервые гравитационные волны были зафиксированы одновременно с электромагнитным излучением (гамма-всплеском, оптическим послесвечением и другими диапазонами), что положило начало эре мультимессенджерной астрономии.

¶История открытия

¶Обнаружение гравитационных волн

17 августа 2017 года в 12:41:04 UTC лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (США) и детектор Virgo (Италия) зафиксировали гравитационно-волновой сигнал, получивший обозначение GW170817. Сигнал длился около 100 секунд, что значительно превышало длительность сигналов от слияний чёрных дыр, наблюдавшихся ранее. Анализ данных показал, что источник находился на расстоянии около 40 мегапарсек (примерно 130 миллионов световых лет) от Земли.

¶Гамма-всплеск GRB 170817A

Через 1,7 секунды после регистрации гравитационных волн космический гамма-телескоп Fermi (NASA) и российско-немецкий прибор SPI-ACS на борту обсерватории INTEGRAL (ESA) независимо зафиксировали короткий гамма-всплеск, получивший обозначение GRB 170817A. Такое совпадение по времени и направлению однозначно указывало на то, что оба сигнала происходят из одного источника. Это было первое прямое наблюдение связи между слиянием нейтронных звёзд и короткими гамма-всплесками.

¶Локализация и оптическое послесвечение

Благодаря данным трёх детекторов (LIGO Hanford, LIGO Livingston и Virgo) удалось определить область локализации источника на небе с точностью около 31 квадратного градуса — значительно точнее, чем при использовании только двух детекторов. В течение нескольких часов после объявления об обнаружении десятки наземных и космических телескопов начали поиск оптического послесвечения. Первым его обнаружил телескоп Swope в Чили в галактике NGC 4993. Оптический сигнал, названный SSS17a, быстро менял цвет с синего на красный в течение нескольких дней, что соответствовало теоретическим моделям килоновой.

¶Характеристики события

¶Параметры гравитационно-волнового сигнала

Сигнал GW170817 имел характерную частоту, увеличивающуюся от 24 до 300 Гц, с последующим резким обрывом. Анализ формы сигнала позволил определить массы сливающихся объектов: первичный объект имел массу от 1,36 до 1,60 масс Солнца, вторичный — от 1,17 до 1,36 масс Солнца. Суммарная масса системы составляла около 2,74 масс Солнца. Такие массы характерны для нейтронных звёзд и исключают возможность слияния чёрных дыр.

¶Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение от GW170817 наблюдалось в широком диапазоне длин волн:

• Гамма-диапазон: короткий гамма-всплеск GRB 170817A длительностью около 2 секунд, с энергией, характерной для релятивистских струй.
• Рентгеновский диапазон: послесвечение, зарегистрированное через 9 дней обсерваторией Chandra (NASA), продолжавшееся несколько месяцев.
• Оптический и инфракрасный диапазоны: килоновая SSS17a, которая достигла пика яркости через 1-2 дня после слияния и затем быстро угасла. Спектр показал наличие тяжёлых элементов, таких как золото, платина и уран, образующихся в процессе r-нуклеосинтеза.
• Радиодиапазон: излучение, зарегистрированное через 16 дней радиотелескопами, подтвердившее наличие релятивистской струи.

¶Расстояние и местоположение

Событие произошло в эллиптической галактике NGC 4993, расположенной в созвездии Гидры. Красное смещение галактики составило z = 0,0098, что соответствует расстоянию около 40 Мпк. Это одно из ближайших гравитационно-волновых событий, зарегистрированных на момент открытия.

¶Научное значение

¶Подтверждение модели килоновой

GW170817 впервые экспериментально подтвердило теоретическую модель килоновой — взрыва, возникающего при слиянии двух нейтронных звёзд. Наблюдения показали, что в процессе слияния выбрасывается значительное количество вещества (около 0,01 массы Солнца), которое обогащает окружающее пространство тяжёлыми элементами, синтезированными в r-процессе. Это дало прямое доказательство того, что нейтронные звёзды являются основным источником золота, платины и других элементов тяжелее железа во Вселенной.

¶Связь с короткими гамма-всплесками

Событие подтвердило гипотезу о том, что короткие гамма-всплески возникают при слияниях нейтронных звёзд. Наблюдение GRB 170817A и последующей килоновой позволило уточнить модели релятивистских струй и их взаимодействия с окружающей средой. Было установлено, что струя в данном случае была направлена под углом к лучу зрения, что объясняет относительно слабый гамма-всплеск.

¶Проверка общей теории относительности

GW170817 позволило провести уникальные тесты общей теории относительности (ОТО). Разница во времени прибытия гравитационных волн и электромагнитного излучения (1,7 секунды) наложила строгие ограничения на возможные отклонения от ОТО, в частности, на скорость распространения гравитационных волн. Было показано, что скорость гравитационных волн равна скорости света с точностью до 10⁻¹⁵.

¶Определение постоянной Хаббла

Используя независимое измерение расстояния до GW170817 по гравитационным волнам и красное смещение галактики NGC 4993, астрономы смогли вычислить постоянную Хаббла — параметр, описывающий скорость расширения Вселенной. Полученное значение H₀ = 70,0 ± 5,0 км/с/Мпк согласуется с измерениями по реликтовому излучению, но имеет меньшую точность, чем другие методы. Тем не менее, это продемонстрировало потенциал гравитационно-волновой астрономии для космологии.

¶Наблюдения и участники

¶Гравитационно-волновые обсерватории

• LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — два детектора в США (Хэнфорд, штат Вашингтон, и Ливингстон, штат Луизиана).
• Virgo — детектор в Италии, недалеко от Пизы.

¶Электромагнитные обсерватории

В наблюдениях участвовали десятки наземных и космических телескопов, включая:

• Fermi (NASA) — гамма-телескоп.
• INTEGRAL (ESA) — гамма-обсерватория с российским прибором SPI-ACS (Институт космических исследований РАН).
• Chandra (NASA) — рентгеновская обсерватория.
• Hubble (NASA/ESA) — космический телескоп.
• Swope (Чили) — оптический телескоп, первым обнаруживший килоновую.
• VLA (США) — радиотелескоп.

¶Научные коллаборации

Данные обрабатывались и анализировались коллаборациями LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, а также многочисленными группами астрономов, работающими с электромагнитными данными. Результаты были опубликованы в серии статей, в том числе в журналах Physical Review Letters, Nature и The Astrophysical Journal Letters.

¶Критика и ограничения

¶Статистическая значимость

Хотя GW170817 является первым и наиболее изученным событием слияния нейтронных звёзд, некоторые аспекты его интерпретации остаются предметом дискуссий. Например, точная масса остатка после слияния (нейтронная звезда или чёрная дыра) не была однозначно определена из-за ограниченного сигнала.

¶Ограничения моделирования

Модели килоновых и релятивистских струй требуют сложных численных симуляций, которые не всегда точно воспроизводят наблюдаемые спектры и кривые блеска. Некоторые расхождения между теорией и наблюдениями (например, в инфракрасном диапазоне) указывают на необходимость уточнения физики выбросов.

¶Единичность события

На момент написания статьи GW170817 остаётся единственным событием слияния нейтронных звёзд, зарегистрированным как в гравитационных, так и в электромагнитных волнах. Это ограничивает статистическую надёжность выводов, сделанных на его основе. Последующие наблюдения (например, GW190425) не сопровождались электромагнитными сигналами, что подчёркивает уникальность GW170817.

¶Интересные факты

• GW170817 стало первым гравитационно-волновым событием, зарегистрированным тремя детекторами одновременно (LIGO и Virgo), что позволило значительно улучшить локализацию.
• Гамма-всплеск GRB 170817A был одним из самых близких к Земле среди известных коротких гамма-всплесков.
• В процессе слияния образовалось количество золота, эквивалентное нескольким десяткам масс Земли.
• Открытие было объявлено 16 октября 2017 года на совместной пресс-конференции LIGO, Virgo и более 70 обсерваторий по всему миру.

¶Источники

• Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). "GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral." Physical Review Letters, vol. 119, no. 16, 2017, 161101.
• Abbott, B. P., et al. "Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger." The Astrophysical Journal Letters, vol. 848, no. 2, 2017, L12.
• Coulter, D. A., et al. "Swope Supernova Survey 2017a (SSS17a), the optical counterpart to a gravitational wave source." Science, vol. 358, no. 6370, 2017, pp. 1556-1558.
• Kasen, D., et al. "Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event." Nature, vol. 551, no. 7678, 2017, pp. 80-84.
• Abbott, B. P., et al. "A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant." Nature, vol. 551, no. 7678, 2017, pp. 85-88.