Столкновение двух нейтронных звёзд

Как две мёртвые звезды сталкиваются, куют золото и спустя 130 миллионов лет были и услышаны, и увидены с Земли

Шаг за шагом

Две нейтронные звезды

Каждая — то, что осталось, когда ядро массивной звезды обрушилось при взрыве сверхновой: больше массы, чем у Солнца, сжатой в шар размером с город и состоящей в основном из нейтронов. Их тяготение так сильно, что свет с обратной стороны огибает звезду и доходит до нас, поэтому они кажутся примерно на четверть больше, чем есть.

Каждая родилась в своей сверхновой, но обе остались связаны друг с другом. С тех пор их орбита сжимается, и здесь им осталось чуть больше часа. Они находятся в NGC 4993, галактике в созвездии Гидры.

Рябь пространства

Кружась, они сотрясают само пространство. Гравитационные волны расходятся со скоростью света, растягивая пространство в одном направлении и сжимая в другом, дважды за оборот.

Волны уносят энергию, и она берётся из орбиты, поэтому звёзды сближаются и кружатся быстрее. Нейтронные звёзды гораздо легче чёрных дыр, чьё слияние услышали первым, поэтому их волны слабее, а спираль гораздо медленнее.

Здесь волны нарисованы в плоскости орбиты: золотым там, где пространство растянуто, и синим там, где сжато. На этом этапе они поднимаются и опускаются шесть раз в секунду, и длина каждой около 50 000 км — в четыре раза больше поперечника Земли.

Всё быстрее и быстрее

Время ускорено: за следующий час звёзды сближаются с 1000 до 400 км и разгоняются до 12 оборотов в секунду. Теперь их волны достаточно быстрые, чтобы их услышали LIGO и Virgo.

Чем ближе звёзды, тем быстрее они движутся и тем сильнее их волны, поэтому орбита сжимается всё быстрее. Отсюда звёздам осталось 100 секунд, и за это время они сделают ещё почти 2000 оборотов.

Частота волн вдвое больше числа оборотов орбиты в секунду. На 24 колебаниях в секунду звёзды попали в диапазон слышимости двух детекторов LIGO в США и детектора Virgo в Италии, которые улавливают волны примерно от десяти до нескольких тысяч колебаний в секунду.

Последние 100 секунд

Время сначала ускорено, потом замедлено: за последние 100 секунд звёзды сближаются с 400 км почти до касания, а частота волн растёт с 24 до более чем тысячи колебаний в секунду.

Вот что услышали LIGO и Virgo: тысячи колебаний примерно за 100 секунд, всё выше и сильнее, — чирп гораздо длиннее той доли секунды, что давали слияния чёрных дыр. Если превратить его в звук, он взмывает вверх, как птичий крик.

Долгий чирп позволил точно взвесить звёзды. Комбинация их масс, от которой зависит, как быстро растёт частота, оказалась равна 1,19 массы Солнца с точностью до тысячной; сами массы известны менее точно — около 1,46 и 1,27 массы Солнца, если звёзды, как это вероятно, вращаются медленно.

Разорвана

Замедлено примерно в 2000 раз: растянутые взаимным притяжением, звёзды соприкасаются на 40% скорости света. Приливы вырывают из них рукава вещества, отброшенные со скоростью до четверти скорости света.

Ближнюю сторону каждой звезды другая притягивает сильнее, чем дальнюю, и на последних оборотах приливы вытягивают звёзды. При столкновении их внешние слои срываются и отбрасываются двумя изогнутыми рукавами, как вода из вращающейся садовой поливалки.

Там, где они встречаются, удар сжимает и нагревает вещество до сотен миллиардов градусов, и ещё больше вещества выплёскивается наружу, быстрее всего к полюсам. Что здесь происходит на самом деле, известно только из суперкомпьютерных расчётов, и показанные формы следуют им лишь приблизительно.

Слишком тяжёлая, чтобы уцелеть

Две звезды становятся одной, массой около 2,7 Солнца, вращающейся сотни раз в секунду. Слишком тяжёлая, чтобы долго держаться, она коллапсирует в чёрную дыру, окружённую диском обломков.

Поначалу слившуюся звезду держат только быстрое вращение и жар. Самые тяжёлые из найденных нейтронных звёзд лишь немного тяжелее двух Солнц, и свет этого столкновения указывает на то, что слившаяся звезда коллапсировала за доли секунды в чёрную дыру поперечником около 15 км.

Газ, продолжающий кружить вокруг, образует горячий толстый диск, который чёрная дыра поглощает или сдувает примерно за секунду. Здесь время сначала замедлено, потом ускорено, а облако выброшенного вещества нарисовано прозрачным, чтобы были видны звезда и чёрная дыра.

Струя гамма-лучей

Вдоль её оси вырывается узкая струя со скоростью, почти равной скорости света. Её гамма-лучи, нарисованные здесь фиолетовым, достигли Земли через 1,7 секунды после волн.

Струю, вероятно, разгоняют вращение чёрной дыры и магнитное поле диска. Ей пришлось пробиться сквозь уже выброшенное вещество. Её гамма-лучи, слишком энергичные, чтобы их увидел глаз, — это короткая вспышка, которую астрономы называют коротким гамма-всплеском.

Спутник NASA «Ферми» поймал этот всплеск, GRB 170817A, длиной около двух секунд. Он был необычно слабым, потому что струя смотрела не на нас: позже радиоснимки показали, что она была направлена примерно на 20 градусов в сторону. Придя через 1,7 секунды после волн, после 130 миллионов лет пути, он показал, что гравитация распространяется со скоростью света с точностью до одной части на 10¹⁵.

Килоновая

Время ускорено: выброшенное вещество, около 20 000 масс Земли, светится, пока распадаются новые тяжёлые элементы в нём. Это свечение, килоновая, сияло как сотни миллионов Солнц.

Только что образовавшиеся атомы нестабильны и распадаются за часы и дни, нагревая облако изнутри. Оно светит примерно в тысячу раз ярче новой — вспышки на поверхности белого карлика; отсюда и название «килоновая», данное в 2010 году. Это была первая килоновая, которую удалось увидеть.

Когда её впервые увидели, через одиннадцать часов после столкновения, она светила как около 270 миллионов Солнц и уже угасала. Её первые часы никто не видел, поэтому здесь они показаны по моделям. Она была голубовато-белой, около 10 000 градусов, и расширялась почти на трети скорости света.

Золото и платина

Дни ускорены: она остывает от голубовато-белой до красной и гаснет. Её свет показывает рождение элементов тяжелее железа: в нём нашли стронций, а ещё она создала золото и платину.

В первую секунду после столкновения выброшенное вещество было так богато нейтронами, что атомы захватывали их быстрее, чем успевали распадаться, и строили элементы гораздо тяжелее железа. Это быстрый процесс, или r-процесс; считается, что так образуется около половины элементов тяжелее железа.

Тяжёлые атомы — лантаноиды, образующиеся вместе с золотом и платиной, — задерживают синий свет, поэтому по мере того как облако редеет, его свет становится красным, а затем инфракрасным. В 2019 году в её свете опознали стронций. Сколько образовалось золота, известно хуже: оценки — от нескольких до нескольких сотен масс Земли.

Как это увидели с Земли

17 августа 2017 года в 12:41 UTC волны прокатились по Земле, а через 1,7 секунды — гамма-лучи. Спустя одиннадцать часов телескоп в Чили нашёл новый свет в галактике NGC 4993.

Два детектора LIGO и Virgo вместе сузили источник до участка неба площадью примерно в 130 раз больше площади Луны, в созвездии Гидры, на расстоянии около 130 миллионов световых лет. Телескопы по всему миру принялись обыскивать галактики там, как только стемнело.

Первым её нашёл телескоп «Своуп» в обсерватории Лас-Кампанас в Чили: новую светящуюся точку близ центра NGC 4993. За несколько дней около 70 обсерваторий на всех семи континентах и в космосе пронаблюдали её, от гамма-лучей до радиоволн. Галактика здесь нарисована по простой модели.

Услышано и увидено

Впервые одно и то же событие и услышали в гравитационных волнах, и увидели в свете. Оно показало, где рождается значительная часть золота во Вселенной.

Оно доказало, что столкновения нейтронных звёзд вызывают короткие гамма-всплески и куют тяжёлые элементы, а гравитационные волны распространяются со скоростью света. Сила волн дала расстояние, а скорость, с которой галактика удаляется от нас, — новый способ измерить, как быстро расширяется Вселенная.

Через несколько дней появились рентгеновские лучи, потом радиоволны: послесвечение струи, которое ярчало ещё много месяцев. В 2019 году детекторы услышали столкновение ещё одной пары нейтронных звёзд, но света от него не нашли. К 2025 году это оставалось единственным столкновением, которое и услышали, и увидели.