GW170817: НАБЛЮДЕНИЕ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН ОТ … · GW170817:...

ДРУГИЕНАБЛЮДЕНИЯ:АСТРОНОМИЯСНЕСКОЛЬКИМИВЗАИМОДЕЙСТВИЯМИВсегоспустя1.7секундыпосленаблюдениягравитационнойволны,космическийтелескопФермизарегистрировалгамма-всплескGRB170817A.Сигналытакойвеличины,какGW170817илиGRB170817Aчастоназываютсятриггерами-снихначинаетсядругаяастрономическаядеятельность.Вданномслучаепослепоявлениятриггеровбылазапущенаавтоматическаярассылкадлясообществаастрономов,иониначалинаблюденияиувиделиугасающийсветотсобытия,расположенноговблизигалактикиNGC4993.Большедеталейонаблюдениисобытиясиспользованиемнесколькихпереносчиковвзаимодействия-вэлектромагнитномигравитационно-волновомдиапазоне,можнонайтивнаучномизложениистатьиосовместномдетектированиипоссылке(английскаяверсия).

GW170817:НАБЛЮДЕНИЕГРАВИТАЦИОННЫХВОЛНОТСОКРАЩЕНИЯОРБИТЫДВОЙНОЙНЕЙТРОННОЙЗВЕЗДЫ

17августав12:41:04UTCсетьгравитационно-волновыхдетекторовLIGO-Virgoзарегистрировалагравитационно-волновойсигналотстолкновениядвухкомпактныхобъектов,называемых“нейтроннымизвездами”-остатковотвзрывовсверхновых.ЭтарегистрацияпроизошлатридняспустяпервогосовместногонаблюденияслияниядвухчерныхдырдетекторамиLIGOиVirgo(краткоеописаниенаанглийском).

ВВЕДЕНИЕАстрономыожидалинаблюдениягравитационныхволнотслияниядвухнейтронныхзвезд,таккакэтизвездыдостаточнораспространенывоВселенной,адвойныенейтронныезвездыужебылиобнаруженыранеесиспользованиемрадиотелескопов.НаиболееизвестнымпримеромявляетсядвойнойпульсарТейлора-Халса,открытыйв1974году.Напротяжении40летастрономынаблюдализатем,какдвезвездымедленносближаютсяпоспирали.Примерночерез300миллионовлетонистолкнутся,произведясигнал,подобныйтому,чтоLIGOтолькочтонаблюдалдляGW170817.

Сетьдетекторовработалавовторомцикленаучныхнаблюдений(названномО2)-двадетектораLIGOбылизапущены30ноября2016,аVirgoприсоединилсякним1августа2017.Наличиенесколькихдетекторовпозволяетастрономамопределить,изкакойобластинанебеприходитсигнал.Чембольшедетекторов,темточнееможнообозначитьэтуобласть.Дляданногособытияобластьимеетвытянутуюформу(называемую“эллипсомпогрешности”),примерно2градусавширинуи15градусоввдлину,покрывающую28квадратныхградусов.Визуальноэтоприблизительноплощадьиформа,закрываемаянанебебананомнарасстояниивытянутойруки.ЭтаобластьнанебенаходитсявсозвездииГидры,сцентромврайонезвездыПсиГидры(видимойневооруженнымвзглядом).

Рис.1:ЗдесьизображеныспектрограммысигналаGW170817вкаждомиздетекторовLIGOиVirgo.Погоризонталиотложеновремя,частота-повертикали.Сигналотдвойнойнейтроннойзвездыввидечирпаначинаетсянанизкихчастотахвлевомуглуибыстронабираеткривизнусправа.ГлитчвспектрограммеLIGO-Livingstonбылподавлениневиденнаизображении.

ГРАВИТАЦИОННО-ВОЛНОВОЙСИГНАЛДетекторможетнаблюдатьгравитационныеволныотдвойнойнейтроннойзвездынапротяжениинесколькихминут.ВGW170817за100секунддостолкновениянейтронныезвездыбылинарасстояниипримерно400километровдруготдруга,проходяполныйкругпоорбитепримерно12развсекунду.Прикаждомновомоборотезвездыизлучалигравитационныеволны,теряяэнергиюисближаясь.Чемменьшестановиласьорбита,тембыстреедвигалисьзвезды,аамплитудаичастотагравитационныхволнувеличивалась.Медленноеуменьшениеорбитыназываетсяпадениемпоспирали(inspiral),аувеличениечастоты–чирпом(chirp).Процессускорялся,показвездынеслились,образуяодиностаточныйобъект.

Чтобынагляднопредставитьсигнал,ГВастрономыпоказываютданныесдетектораввидеспектрограммы.Этоцветноеизображение,гдепогоризонтальнойосиотложеновремя,вертикальнаяосьпоказываетчастотуколебаний,измеренныхдетектором(снизунизкиечастоты,высокиечастоты-сверху),ацвет-величинусигналовотносительнофоновогошума(чемярче,темсильнее).Спектрограммачирпаотдвойнойнейтроннойзвездывыглядиткактонкаялиния,изначальнопрямаянанизкихчастотах,астечениемвременизагибающаясявверхвсесильнееисильнеевплотьдофинальногопиканепосредственнопередслияниемзвезд.

ЭтотсигналясновиденнаспектрограммахсобоихдетекторовLIGO,нонесдетектораVirgo.Этотфактважендлялокализацииисточникасигналананебе.Длякаждогодетектораестьобластьнанебе,сигналыизкоторойвданныймоментемуневидны.ПосколькусигналбылхорошовиденнадвухдетекторахLIGO,ноненаVirgo,изэтогоследует,чтосигналпришелизоднойизтакихобластей,чтооченьпомогаетвлокализации.

ОЧИСТКАОТГЛИТЧЕЙАвтоматическоепрограммноеобеспечениенаLIGOизначальнонеувиделосигналвданныхдетекторавЛивингстоне,хотядлячеловеканаличиесигналаочевидно.Проблемабылавовсплескешума,похожимнатрескстатикиваудиоколонках,вовремяфазспиральногопаденияичирпа.Этотвсплескшумаученыеназываютглитчем,иондолженбытьубранизданныхпередтем,каксигналможетбытьиспользовандлядальнегоанализа.Процедураизбавленияотглитчадолжнабытьаккуратной,чтобыубратьшум,нонесамсигнал.Такаяпроцедураназываетсяподавлениемшума.

Глитчивсевремяслучаютсявгравитационно-волновыхдетекторах:такиекаквданныхGW170817-развнесколькочасов.ДлязаинтересованныхвподробностяхоглитчахвдетектореработаетобщественныйпроектGravitySpy(www.gravityspy.org),гделюдиразныхстранпросматриваютспектрограммыданныхLIGOипомогаютнаходитиклассифицироватьглитчи.ЭтаинформацияиспользуетсяученымиLIGO,чтобылучшепонимать,какведутсебядетекторы,иулучшатьанализданныхвбудущем.

СВОЙСТВАИСТОЧНИКАКаждыйисточникгенерируетразныегравитационныеволнывзависимостиотастрофизическихсвойствсистемы.Важнымисвойствамиявляютсямассакаждогообъекта,скоростьеговращениявокругсвоейоси,

Рис. 2: ВерхняяпанельпоказываетглитчвданныхLIGO-Livingston,итакжеявнодемонстрируетналичиечирпа.Нижняяпанельпоказываетбезразмернуюамплитудуколебаний,”strain"(величина,котороймыописываемвеличинусигналавLIGOиVirgo)вмоментглитча.Этокороткий(длитсявсегооколо1/4секунды),нооченьсильныйсигнал.Подавлениеуменьшаетглитчдоуровняоранжевойкривой,котораяпоказываетуровеньфоновогошума,всегдаприсутствующеговдетекторахLIGO.

насколькопростосжатьилидеформироватьего,размерорбиты,наклонорбитыпоотношениюкнаправлениюнаблюденияит.д.Комбинациявсехэтихсвойствизменяетформу,амплитуду,иизменениегравитационно-волновогосигналавовремени.ГВастрономыизмеряютизменениявсигналенасколькомогутточно,азатемработаютвобратномнаправлении,чтобыпонятьсвойстваастрофизическогоисточника.

Этотпроцесснеидеален,таккаксигналынемогутбытьизмереныточно.Какследствие,свойствадвойнойнейтроннойзвездымыпредставляемкакдиапазон,всезначениявнутрикоторогоодинаковохорошоописываютисточник(ученыеобычноназываютэтотдиапазонпогрешностями,аванализеLIGO-Virgo-апостериорнымдиапазоном,”theposterior”).

Анализгравитационнойволныдаетзначениедлямасскаждойзвездыизпарымежду0.86и2.26солнечноймассы.Разныемассывлияютнасигналтакже,какразныескоростивращениявокругсвоейоси,которыемынемоглиизмеритьточнодляэтогособытия.Еслипредположить,чтозвездывращаютсямедленно,тоданныестольжехорошомогутбытьобъясненымассамимежду1.17и1.6солнечной.Влюбомслучае,этимассысоответствуютмассамвсехизвестныхнейтронныхзвезд,иэтоявляетсяоднойизпричин,покоторыммыдумаем,чтосистемасостоялаизнейтронныхзвезд.

Другимпараметром,которыйможетхорошоизмерятьсягравитационнымиволнамиявляетсярасстояниедоисточника(втерминахастрономов,фотометрическоерасстояние).Фотометрическоерасстояние,полученноеизсигнала,оказалосьравно40мегапарсек(около130миллионовсветовыхлет),чтосогласуетсясрасстояниемдогалактикиNGC4993.Обладаязнаниемобизмеренномрасстояниииоптическимнаблюдениемгалактики,мыможемвпервыепроизвестисовместноеизмерениепостояннойХаббла(большеподробностейможнонайтиванглийскомописании).

Рис.3:Сферическаякартанеба,показывающаяположениеGW170817,определенноеLIGOиVirgo.Дваовала(синийизеленый)показываютлокализациюнаосноведвухразныхпрограмманализаданныхLIGO.КрестыотмечаютположениегалактикиNGC4993всозвездииГидры.Нижнееизображениепоказываетнашуоценкурасстояниянаосновегравитационно-волновыхданных.

Рис. 4: Наизображениипоказанынаилучшиеоценкинамассыдвухкомпонентовдвойнойзвезды.Всемассывнутридиагональнойобластиподходятподмодель.Длякаждойточкивнутриэтойобластиможнопровестигоризонтальналевоивертикальвниз,получивмассы,соответствующиеконкретномурешениюдлягравитационно-волновыхданных.Цветаотображаютслучаинизкой(синий)ивысокой(красный)скоростивращениявокругсвоейоси.

Словарь• Чернаядыра:Областьпространства-времени,

возникающаявприсутствиичрезвычайнокомпактноймассы,состольсильнойгравитацией,чтоничто,дажесвет,неможетвыйтиизэтойобласти.

• Формагравитационного-волновогосигнала:Кривая,описывающаякаквозмущение,вызванноегравитационнойволной,меняетсясовременем.

• Шум:Флуктуациивгравитационно-волновомсигнале,вызванныеразличнымиэффектамиотоборудованияиокружающейсреды.Чувствительностьгравитационно-волновогодетектораограниченашумом.

• Циклнаблюдений:Периоднаблюдений,вовремякоторогогравитационно-волновыедетекторысобираютданные.

• Нейтроннаязвезда:Сверхплотныйобъект,оставшийсяпослеколлапсамассивнойзвезды.

• Гамма-лучи:Электромагнитноеизлучениеснаивысшейэнергиейвэлектромагнитномспектре.

• Безразмернаяамплитудаколебаний,strain:Относительноеизменениеврасстояниимеждудвумяточками,вызванноеискривлениемпространства-временипроходящейгравитационнойволной

Нашистраницывсетиhttp://www.ligo.org

http://www.virgo-gw.eu

Выможетепрочитатьполнуюпубликацию,принятуювPhysicalReviewLetters,здесь.

Рис.5:Этиизображениядемонстрируют,насколькозвездымогутбытьприливнодеформированы.Каждаяосьсоответствуетоднойиздвухзвездинасколькотамможетможетбытьдеформирована.GW170817находитсягде-тонаэтомграфике.Пунктиромобозначены90%и50%вероятноститого,чтосистеманаходитсянижеилевееотпунктира.Случайвысокойскоростивращениявокругосипоказанслева,анизкой-справа.

Нейтронныезвездысостоятизсверхплотноговеществаиведутсебяиначе,чемобычныеобъектынаЗемле.Поэтомуастрофизическиенаблюдения-этолабораториядляизучениясверхплотноговещества.Физикиописываюттакоевеществоотношением,называемымуравнениемсостояния,котороесвязываетдавлениеиплотность(похоженаизвестныйзаконидеальногогазаPV=nRT).Существуетмногоразныхвозможныхуравненийсостояния,иастрономыхотелибыузнать,какоеизнихнаилучшимобразомописываетнейтронныезвезды.Длянейтронныхзвездмассаиуравнениесостоянияопределяютразмерзвездыиизменениееёгравитационногопотенциалаприсжатиизвездыгравитациейотеёпарнойзвезды(чтоназываетсяприливнойдеформацией).Этосжатиевсвоюочередьможетвлиятьнагравитационно-волновойсигнал.АнализGW170817даетинтересныеограничениянаразмерприливнойдеформации,нонеможетоднозначноуказатьнауравнениесостояния.

ЧЕМЕЩЕЭТОМОГЛОБЫТЬ?Какисовсемиважнымиоткрытиямивастрономии,изэтогонаблюдениямыузналимножествовещей,номноговопросовосталисьбезответа.ДваосновныхвопросаоGW170817касаютсяприродысамихобъектов.Изнаблюденийэлектромагнитногосигналамыможемзаключить,чтокакминимумодинизобъектоввпаребылнейтроннойзвездой,ноэтонезначит,чтоеюбылиоба.Хотяобакомпонентапарыимеютмассысхожиесмассамиизвестныхнамнейтронныхзвезд,одинизнихмогбытьчернойдырой.Астрономыникогданевиделичернойдырысмассойблизкойкнейтроннойзвезде,нонетисвидетельств,чтотакогобытьнеможет,такчтоGW170817могбытьнейтроннойзвездойвпаресчернойдырой.Темнеменее,посколькумассыблизкикнейтроннымзвездам,мыпредпочитаеминтерпретироватьобаобъектакакнейтронныезвезды.

Другойважныйвопросвтом,чемсталобъектGW170817послеслияния.Существуетдвевозможности:илионсталсамоймассивнойизизвестныхнамнейтроннойзвездой,илисамойлегкойизизвестныхнамчернойдырой.Обеверсиизахватывающиизаманчивы,нокачестванашихданныхнехватаетчтобывыделитьодну.Все,чтомызнаемобобъекте-чембыоннибыл,онимеетмассуоколо2.74солнечной.