Znanost na cesti Znanost na cesti cafescientifique

16. oktober, 2017

Prelomno odkritje v gravitacijski astronomiji

prof. dr. Andreja Gomboc

Pa jih imamo! Gravitacijske valove, ki so nastali ob zlitju dveh nevtronskih zvezd. In hkrati tudi točen kraj njihovega nastanka.

Prva neposredna detekcija gravitacijskih valov 14. septembra 2015 z observatorijem LIGO je sedaj že legendarna. O njenem pomenu priča tudi letošnja Nobelova nagrada za fiziko, ki so jo podelili voditeljem projekta LIGO. Na veliko presenečenje mnogih so tako prvi detektirani signal GW150914 kot tudi trije naslednji dogodki, GW151226, GW170104 in GW170814, nastali ob zlitju dveh črnih lukenj in ne dveh nevtronskih zvezd.

Pari nevtronskih zvezd naj bi bili v vesolju veliko pogostejši kot pari črnih lukenj. Vendar je signal gravitacijskih valov ob zlitju dveh nevtronskih zvezd šibkejši od signala zlitja dveh črnih lukenj, saj imajo slednje večjo maso in bolj ukrivljajo prostorčas. Razdalja, do katere lahko inštrument z omejeno občutljivostjo opazi zlitje nevtronskih zvezd, je zato ustrezno manjša in tako inštrument "zajame" manjši del vesolja. Doslej detektirana zlitja črnih lukenj so bila vsa več kot milijardo svetlobnih let daleč od nas, meja observatorija LIGO za detekcijo zlitja nevtronskih zvezd pa je veliko nižja - okoli 200 milijonov svetlobnih let.

GW 1708171

Nestrpnega pričakovanja prve detekcije zlitja nevtronskih zvezd je sedaj konec. 17. avgusta letos ob 14:41:04 po našem času so z observatorijema LIGO in Virgo prvič zaznali gravitacijske valove, ki po svojih lastnostih ustrezajo zlitju dveh nevtronskih zvezd. Iz oblike signala so določili masi obeh teles pred zlitjem na m1=(1,36 - 2,26) MSonca in m2 = (0,86 - 1,36) MSonca, kar se ujema z dvojno nevtronsko zvezdo. Možnost, da bi bili zvezdi beli pritlikavki, so lahko izključili zaradi frekvence signala, ki kaže, da sta telesi krožili eno okoli drugega na razdalji ~100 km, kar je za red velikosti manj kot je tipična velikost belih pritlikavk.

V primerjavi s signalom zlitja črnih lukenj ima ta signal daljšo periodo in traja bistveno dlje časa - okrog 100 s. Oboje je posledica nižje mase nevtronskih zvezd: obhodni čas je za sisteme z nižjo maso daljši (to pove 3. Keplerjev zakon), gravitacijsko valovanje pa šibkejše, kar pomeni, da sistem počasneje izgublja energijo in se zvezdi počasneje približujeta ena drugi, faze tik pred zlitjem pa so zato daljše.

Dogodek so zaznali s tremi detektorji (LIGO Hanford in LIGO Livingston v ZDA, ter Virgo v Italiji) in iz časovnega zamika detekcij določili približno lokacijo izvora: 31 kvadratnih stopinj velik del južnega neba. Iz jakosti gravitacijskega signala so lahko določili tudi to, da se je zlitje zgodilo približno 130 milijonov svetlobnih let daleč.

GRB 1708172

A zgodbe tu še ni konec. Neodvisno od detekcije z detektorji LIGO in Virgo je satelit Fermi iz istega dela neba zaznal kratek blisk gama svetlobe, ki je (kot je pokazala kasnejša primerjava podatkov) za trenutkom zlitja »zamujal« za 1,7 sekunde. Po lastnostih je ustrezal t.i. kratkemu izbruhu sevanja gama.

Objava detekcij observatorijev LIGO-Virgo in satelita Fermi je sprožila široko opazovalno kampanjo: številne raziskovalne skupine širom sveta so uporabile satelite in teleskope na Zemlji za iskanje t.i. elektromagnetnega dvojnika (angl. electromagnetic counterpart) - izvora kakršnekoli vrste svetlobe, ki bi bila povezana z detektiranim gravitacijskim signalom. Slabih 11 ur kasneje, ko so se lahko pričela opazovanja tega dela neba v Čilu, je 1-metrski teleskop Swope na observatoriju Las Campanas odkril optični dvojnik: svetel nov izvor vidne svetlobe v galaksiji NGC 4993 (slika 2), ki se nahaja 130 milijonov svetlobnih let daleč. S pomočjo teh opazovanj so tako lahko prvič doslej natančno določili kraj nastanka gravitacijskih valov.

Slika 2: Levo: Lokalizacija dogodka s pomočjo signala gravitacijskih valov z detektorji LIGO in Virgo (zelena) in signala sevanja gama (modra). Desno: Zgornja slika: opazovanje s teleskopom Swope je razkrilo optični dvojnik dogodka gravitacijskih valov GW 170817, ki leži na obrobju galaksije NGC 4993. Spodnja slika kaže isti del neba 20,5 dni pred zlitjem.

Sledila so opazovanja s številnimi inštrumenti, ki so pokrivali vse valovne dolžine svetlobe: od gama in rentgenske svetlobe preko ultravijolične, vidne in infrardeče do radijskih valov. Točno znana lokacija dogodka je omogočila zelo podrobna opazovanja. Dobljene podatke bodo znanstveniki proučevali še vrsto let, že sedaj (na dan uradne objave odkritja), pa je bilo v mednarodnih znanstvenih revijah objavljenih okoli 50 člankov, od tega dobrih deset v najprestižnejših revijah Science, Nature in Nature Astronomy.

Odkritje je prelomno, ne le ker gre za prvo detekcijo gravitacijskih valov iz zlitja nevtronskih zvezd in prvi dogodek gravitacijskih valov z natančno znanim krajem nastanka, pač pa tudi zaradi vrste in števila observatorijev (okrog 70), ki so sodelovali pri opazovanjih. To je prvi dogodek, ki so ga zaznali tako z detektorji gravitacijskih valov kot tudi s sateliti in teleskopi za različne vrste svetlobe, spremljali pa so ga tudi s posebnimi detektorji za delce iz vesolja (IceCube, ANTARES, observatorij Pierre Auger).

Kaj nam GW/GRB 170817 razkriva?

Opis vsega, kar nam je ta dogodek že povedal in nam še bo, presega okvire tega prispevka. Zato se bomo omejili na pomen, ki ga ima za področje proučevanja izbruhov sevanja gama, ki so najmočnejše eksplozije v vesolju.

Izbruhi sevanja gama se dogajajo v oddaljenih galaksijah, detektirajo pa jih posebej za to razviti sateliti (Swift, Fermi, Integral) in sicer kot kratke bliske svetlobe gama, ki se pojavljajo v naključnih smereh neba in ob naključnih časih. Delimo jih na dolge (pri katerih blisk traja več kot 2 sekundi) in kratke (pri katerih traja manj kot 2 sekundi). Že vrsto let astrofiziki vemo, da dolgi izbruhi nastanejo ob koncu življenske poti masivne, hitro vrteče se zvezde. Ko se njena sredica sesede, bodisi v nevtronsko zvezdo ali v črno luknjo, se sprosti ogromna količina energije, ki zvezdo raznese v siloviti eksploziji podobni eksploziji supernove.

Za kratke izbruhe sevanja gama pa že več desetletij velja kot najverjetnejši model nastanka zlitje dveh t.i. kompaktnih objektov: dveh nevtronskih zvezd ali nevtronske zvezde in črne luknje. A za ta model smo doslej imeli le posredne dokaze, kot je na primer kraj njihovega nastanka. Kratke izbruhe najdemo v zelo različnih predelih galaksij: tako tam, kjer se šele rojevajo nove zvezde, kot tudi tam, kjer je nastajanje zvezd že ugasnilo. Nekateri izbruhi so locirani celo izven galaksij. To se ujema (a ni dokaz!) z modelom zlitja dveh kompaktnih objektov. Kompaktni objekti nastanejo ob eksploziji supernove iz masivnih zvezd, ki živijo le kratek čas. Če se dva taka objekta znajdeta povezana v dvojni sistem, zaradi gibanja okoli skupnega težišča oddajata šibko gravitacijsko valovanje, se počasi približujeta eden drugemu in se slejkoprej zlijeta. Koliko časa mine pred zlitjem je odvisno od začetne razdalje med objektoma. Če sta si že ob nastanku blizu, lahko pride do zlitja hitro, dokler v okolici še poteka nastajanje novih zvezd. Če sta sprva daleč narazen, bo približevanje trajalo zelo dolgo in bo medtem nastajanje zvezd v okolici že zdavnaj zamrlo. Lahko pa se tudi zgodi, da sistem ob eksploziji supernove doživi t.i. "brco" in s tem hitrost, ki ga sčasoma odnese na obrobje ali celo ven iz galaksije.

A vse doslej za tak model astrofiziki nismo imeli t.i. smoking gun oz. neposrednega dokaza. Detekcija signala gravitacijskih valov, ki po obliki ustreza zlitju dveh nevtronskih zvezd, in praktično istočasnega kratkega izbruha sevanja gama, pa je točno to, na kar smo čakali vrsto let!

Kilonova oz. makronova

Poleg detekcije sevanja gama pri dogodku GW/GRB 170817 se tudi opazovanja svetlobe drugih valovnih dolžin ujemajo z interpretacijo, da gre za kratek izbruh sevanja gama.

Z enim "twistom": model kratkih izbruhov sevanja gama pravi, da pri zlitju dveh kompaktnih objektov eksplozija ne poteka v vseh smereh enako (ni izotropna), pač pa naj bi večino energije in snovi odneslo vzdolž osi, ki je pravokotna na ravnino kroženja objektov. Nastala naj bi dva nasprotno usmerjena snopa oz. curka delcev in energije (slika 3), ki se praktično s svetlobno hitrostjo širita v medzvezdni prostor. Pri tem oddata kratek blisk visoko-energijske svetlobe gama, ki ga opazimo kot izbruh sevanja gama. Ko tak curek trči v plin v okolici, se nekoliko upočasni in pri tem nastane svetloba nižjih energij (daljših valovnih dolžin), tudi vidna. Tej svetlobi pravimo zasij (angl. afterglow) in jo je mogoče opazovati dlje časa, običajno nekaj ur do nekaj dni ali celo dlje po izbruhu sevanja gama.


Slika 3: Prikaz zlitja dveh nevtronskih zvezd in nastanka kratkega izbruha sevanja gama. Animacija zlitja je dostopna tukaj.

Po tem modelu torej vidimo izbruh sevanja gama le, če eden od obeh snopov kaže proti Zemlji. Glede na širino snopov, ki jo ocenimo iz opazovanj, sklepamo, da je takih le okrog 1-10% vseh izbruhov. Seveda je na mestu vprašanje: kakšna je verjetnost za "srečo", da je bilo prvo zlitje nevtronskih zvezd, ki so ga zaznali gravitacijski detektorji, obrnjeno ravno tako, da je snop kazal proti nam in smo zaznali izbruh sevanja gama?

Rezultati podrobnih opazovanj v vseh vrstah svetlobe - od gama do radijske - kažejo konsistentno sliko: GW/GRB 170817 ni bil obrnjen točno proti nam, ampak smo ga videli nekoliko od strani, izven snopa. To se ujema s tem, da je bil opaženi kratki izbruh sevanja gama intrinzično najšibkejši od vseh opaženih doslej (ker smo ga videli nekoliko od strani). Ujema pa se tudi z modelom kilonove oz. makronove. Ta model pravi, da v jedrskih reakcijah, ki stečejo ob kratkem izbruhu sevanja gama, nastane veliko jeder kemijskih elementov, ki so bogata z nevtroni. Ker so taka jedra nestabilna, razpadajo in s tem grejejo bližnjo okolico, ki zato seva približno enakomerno v vse smeri (t.j. izotropno). Dokaze za sevanje kilonove oz. makronove so doslej opazili le v nekaj primerih (npr. Tanvir et al., Nature 2013), našli pa so jih tudi v primeru GW/GRB 170817 - tako iz specifičnih lastnosti svetlobe (Tanvir et al. 2017, ApJL) kot tudi v odsotnosti polarizacije svetlobe (Covino et al. 2017, Nature).

In kot zanimivost: med kemijskimi elementi bogatimi z nevtroni, ki bi naj nastali ob zlitju, je tudi zlato. Če imate na sebi kos zlatnine, pomislite, morda nosite dragocene ostanke davnega zlitja nevtronskih zvezd.

Pomen za širšo fiziko

Nevtronske zvezde že več kot pol stoletja begajo astronome in fizike, saj si z našimi Zemeljskimi možgani težko predstavljamo gostoto ~1017 kg/m3, kakršna vlada v njih: kot da bi celotno Sonce stisnili na velikost Ljubljane (približno 10 km). Kako se obnaša snov pri tako visokih gostotah? Kakšno vlogo pri tem igra močno magnetno polje, ki je pogosto prisotno v njih? Odgovore na taka vprašanja v laboratorijih na Zemlji ne moremo iskati, saj v njih ne moremo ustvariti tako ekstremnih pogojev. Prav tako nevtronskih zvezd zaradi njihove majhnosti ne moremo neposredno opazovati s teleskopi.

Gravitacijski valovi, ki nastanejo ob zlitju dveh nevtronskih zvezd, pa nam lahko s svojo obliko razkrivajo njuno maso in velikost (ki je drugače ne moremo natančno izmeriti), kar nam pomaga določiti lastnosti snovi - kako se delci razporedijo in obnašajo v tako ekstremnih razmerah nam lahko pove več o fundamentalnih zakonih narave in nam pomaga razumeti črne luknje in druge eksotične objekte v vesolju. Ko bomo bolje razumeli obnašanje snovi v nevtronskih zvezdah, bomo, na primer, lahko določili kolikšna je najvišja masa, ki jo nevtronska zvezda še lahko ima, preden gravitacija prevlada nad tlakom v njej in jo stisne v črno luknjo.

To je le nekaj raziskovalnih tem, ki jih odpirajo ta in morebitne bodoče detekcije zlitja nevtronskih zvezd. Razumljivo je pričakovati tudi nove detekcije zlitja črnih lukenj, kot tudi parov nevtronska zvezda-črna luknja. Napovedi, da se je pred dvema letoma s prvo LIGO detekcijo pričela nova doba v astronomiji, so se uresničile. Pet doslej detektiranih dogodkov, še posebej GW 170817, je povezalo majhne in velike raziskovalne skupine z zelo različnih področij fizike v skupni, globalni projekt, kakršnemu v astrofiziki doslej še nismo bili priča. "Multi-messenger" astronomija, ki zajema opazovanje vesolja in dogodkov v njem s pomočjo vseh štirih vrst "vesoljskih glasnikov" (angl. messengers): svetlobe, gravitacijskih valov, kozmičnih delcev in nevtrinov, je (prvič) zares pokazala svojo moč.


Med nekaj tisoč raziskovalci, ki so sodelovali pri intenzivnem proučevanju tega dogodka, so svoj kamenček prispevali tudi slovenski raziskovalci: sodelavci Univerze v Novi Gorici, Instituta Jožef Stefan, Kemijskega inštituta in Univerze v Ljubljani, ki opravljajo raziskave z observatorijem Pierre Auger v Argentini (Andrej Filipčič, Gašper Kukec Mezek, Ahmed Saleh, Samo Stanič, Marta Trini, Sergei Vorobiov, Lili Yang, Danilo Zavrtanik, Marko Zavrtanik), sodelujejo pri satelitski misiji Fermi (Gabrijela Zaharijaš) in raziskujejo v okviru projekta GRAWITA z Zelo velikim teleskopom Evropskega južnega observatorija v Čilu (Andreja Gomboc, Drejc Kopač).

Njihovi najnovejši rezultati so objavljeni v revijah The Astrophysical Journal in Nature Astronomy.


1Oznaka pomeni GW=Gravitational Wave (izvor gravitacijskih valov) in datum detekcije v obliki YYMMDD.
2Oznaka pomeni GRB=Gamma Ray Burst (izbruh sevanja gama) in datum detekcije v obliki YYMMDD.

O avtorici

Andreja Gomboc je redna profesorica za astronomijo in raziskovalka v Centru za astrofiziko in kozmologijo na Univerzi v Novi Gorici. Proučuje izbruhe sevanja gama in plimsko raztrganje zvezd v bližini črnih lukenj. Je članica mednarodnih kolaboracij za opazovanja kratkotrajnih pojavov v vesolju, ki jih detektirajo sateliti Swift, Fermi, Integral in Gaia ter observatorija LIGO in Virgo. Urednica spletnega Portala v vesolje in predsednica slovenskega tekmovanja v znanju astronomije. Med svoje največje astronomske dosežke šteje razstavo Od Zemlje do vesolja v Tivoliju in prvi simpozij Mednarodne astronomske zveze v Sloveniji. Najraje bere knjige v senci ob morju.

andreja.gomboc@ung.si

foto: Aleksandra Saša Prelesnik



© Znanost na cesti