Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Обычно август – месяц тихий, во всяком случае для ученых, работающих в Северном полушарии. Многие из них, как и все остальные, предпочитают уехать в это время на неделю или две куда-нибудь к морю или в горы. А в августе 2017-го и работу LIGO планировалось приостановить почти на два года. Близился к концу его второй наблюдательный сеанс, продолжавшийся с конца предыдущего года.

Однако Virgo только приступил к работе после очередной модификации, присоединившись наконец 1 августа к двум детекторам LIGO. Исследователи группы Virgo торопились завершить модернизацию своего детектора, чтобы хоть несколько недель поработать совместно с LIGO. Когда 14 августа три детектора первый раз работали одновременно, они зарегистрировали восьмое по счету слияние двойной черной дыры, и именно эти данные Бранчези анализировала тем жарким днем в Урбино20. Оставалось всего около двух недель до конца сеанса наблюдений, который планировался на 25 августа. Команды LIGO и Virgo начали сворачивать работы. Они были измучены как лихорадочной рутиной еженедельных, а часто и ежедневных телеконференций с членами сообщества, так и круглосуточными сменами, позволявшими отслеживать события в реальном времени. В течение нескольких месяцев, когда автоматические оповещения приходили даже среди ночи, Бранчези должна была сразу оценить, надо ли проводить дальнейшие наблюдения.

С начала августа Бранчези, готовясь к третьему наблюдательному сеансу, мысленно уже была в будущем: в 2019 году впервые после модернизации все три детектора будут достаточно долго работать совместно. Днем 16 августа на международном семинаре по гравитационным волнам выступила астрофизик Самая Ниссанке, коллега Бранчези из Амстердамского университета. В своем докладе она говорила о перспективах многоканальной астрономии. Ниссанке сказала слушателям, что в 2020-х годах наблюдение слияния нейтронных звезд будет достаточно рутинным событием. После выступления к ней подошел коллега из Индии Бала Айер, член INDIGO – консорциума индийских физиков, специалистов по поиску гравитационных волн. Его интересовало, когда это произойдет впервые. Ниссанке предложила пари: до конца 2019 года интерферометры зафиксируют слияние нейтронных звезд. Потребуется чуть больше двух лет. А ровно через день, проснувшись, узнала, что ее предсказание уже сбылось.

Когда гравитационная волна проходит через Землю, детектор фиксирует крошечную разницу во времени возвращения отраженных лазерных лучей. Тогда компьютерные программы LIGO и Virgo автоматически загружают эту информацию в специальную базу данных о кандидатах в гравитационно-волновые события. Сразу после полудня 17 августа 2017 года системы LIGO отметили именно такое событие, выдав предупреждение, что это может быть слияние двух нейтронных звезд. Вероятность ложной тревоги была исключительно мала: суммарная масса двух объектов составляла только 2,7 массы Солнца, что гораздо легче черной дыры звездной массы, но прямо соответствует известным значениям масс двойных нейтронных звезд (системы, состоящей из двух гравитационно связанных нейтронных звезд в процессе слияния). Программа, кроме того, сигнализировала, что с вероятностью 100 % это событие доступно для наблюдения в электромагнитном спектре.

Согласно расчетам системы, слияние произошло сравнительно близко от Земли – на расстоянии примерно 130 миллионов световых лет. Большая удача, поскольку в тот момент чувствительности LIGO не хватило бы для регистрации события на большем расстоянии. Волна дошла до Virgo в 12:41:04 по всемирному координированному времени[4] и на 22 миллисекунды позже до детектора LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана. Еще через три миллисекунды она коснулась плеч детектора в Хэнфорде, штат Вашингтон21.

Коди Мессик, физик из Университета штата Пенсильвания, был первым человеком, получившим в тот день предупреждение LIGO. Он оказался одним из так называемых первых респондентов – его работа состояла в проверке сигналов, сообщавших о возможных кандидатах на столкновение черных дыр или нейтронных звезд. В случае подтверждения ему следовало оповестить остальных участников астрономической команды. Было начало девятого, он только проснулся и планировал взять на день отпуск: что-то произошло с шеей. В 8:43, добравшись до телефона, он увидел предупреждение LIGO – прошло ровно две минуты после того, как волна накрыла Землю. Сначала Мессик почувствовал досаду, поскольку сигнал, похоже, уловил только детектор в Хэнфорде – обычно алгоритмы LIGO оповещают в реальном времени только о тех событиях, которые регистрируют оба детектора. Однако система пометила возможное слияние как очень значительное событие, что и привлекло его внимание. Он написал руководителю своей диссертационной работы Чаду Ханну. Тот немедленно ответил, что предупреждение послал и телескоп Fermi', ровно через 1,7 секунды после прихода гравитационной волны он зарегистрировал в том же месте короткий двухсекундный гамма-всплеск. Было ли это оптическим аналогом слияния тех же двух космических объектов – другими словами, наблюдением того же события в электромагнитном спектре?

Сразу же Ханн и еще не снявший пижаму Мессик устроили телеконференцию с магистрантами своего университета, чтобы проверить данные на предмет ошибок. Все быстро согласились, что ничего очевидно неправильного в сигнале нет, и решили оповестить остальных членов сообщества LIGO/Virgo. Это поручили сделать Мессику, поскольку, вспоминает он, Ханна “так трясло от волнения, что печатать он не мог”. На какое-то мгновение они были единственными в мире людьми, которые знали, что произошло.

Именно сообщение Мессика высветилось на телефоне Бранчези, когда она уже собиралась прилечь после долгой ночи, проведенной в госпитале с сестрой и ее новорожденным сыном. В считаные минуты к телеконференции присоединились другие участники. Возбуждение охватило всех, но второй детектор в Ливингстоне не отметил это событие, поэтому было много сомневающихся. Как потом оказалось, причина крылась в сбое системы: какая-то техническая ошибка (возможно, покачивание зеркала) привела к появлению шума, замаскировавшего сигнал от гравитационной волны. Однако, когда на диаграммы посмотрели невооруженным глазом, стало очевидно, что сигнал на самом деле был зарегистрирован: он длился около шести минут, тогда как сбой, заставивший программу игнорировать волновой сигнал, продолжался всего несколько миллисекунд. Теперь данные подтвердили оба детектора LIGO.

Тем временем ученые из группы Virgo тоже поняли, что их прибор зафиксировал исторический сигнал – слабый, но не оставляющий сомнений. “Люди были так возбуждены, что не могли остановиться и во время телеконференции всё говорили и говорили, – рассказывает Бранчези. – Это было какое-то безумие”.

Вскоре в разговор включились астрономы со всего света. “Хотя я знал, что делать этого не следует, я отошел на минутку, чтобы позвонить жене и отцу. Мне не терпелось сообщить им эти потрясающие новости”, – рассказывает Мессик. Онлайн-чат телеконференции разрывался от требований разослать во все оптические обсерватории GCN-циркуляр, чтобы немедленно начать последующие наблюдения. (GCN-циркуляр – информация о местоположении гамма-всплеска, которую направляют всем заинтересованным лицам и организациям, если вспышку обнаруживают различные космические аппараты.) Бранчези и ее коллеги потратили десять лет на создание “многоканального” сообщества, и вот теперь их работа готова была принести плоды.

Всего через сорок минут после того, как LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационный сигнал, в 13:21:42 по всемирному координированному времени, GCN-циркуляр попал в электронные почтовые ящики астрономов, разбросанных по всему миру. Чтобы увидеть последствия космического катаклизма, случившегося в далеком прошлом, за считаные часы пришли в действие телескопы-роботы, развернулись обзорные телескопы22. Наступила эра многоканальной астрономии.