Обращенные к звездам. Прошлое, настоящее и будущее астрономии - Эмили Левеск

дополнительную надежность. В прошлом такого успеха удалось достичь всего один раз, когда в 1987 году были зафиксированы как электромагнитное излучение, так и небольшое количество нейтрино (крошечных субатомных частиц) от очень близкой сверхновой. Излучение и частицы послужили двумя «каналами» данных из космоса, что позволило нам изучить сверхновую с разных сторон. А обнаружение гравитационных волн — третьего типа «каналов», нового вида данных, которые мы можем получать от космических явлений, — не могло не привести нас в новую эру развития астрономии.

Тем не менее обнаружение гравитационных волн в 2015 году не стало мультиканальным событием. Столкновение черных дыр, наблюдавшееся LIGO, было подтверждено только гравитационными волнами. Каким бы захватывающим ни было это открытие само по себе, оно практически сразу изменило правила игры — теперь все с нетерпением ждали следующего большого события, которое породило бы как гравитационную волну, так и вспышку электромагнитного излучения, оказавшись, таким образом, настоящим многоканальным событием.

Все понимали, что это будет непросто. Мы не раз наблюдали столкновение черных дыр, но большинство астрономов сходились во мнении, что такое событие не вызывает вспышек излучения.

Другое дело столкновения нейтронных звезд. Нейтронные звезды — это коллапсирующие ядра, оставшиеся после гибели массивных звезд и их превращения в сверхновые. Именно их, когда они быстро вращаются, радиотелескопы воспринимают как пульсары. При коллапсе вся масса ядра звезды сжимается до размера небольшого города, и образуется новый, невероятно плотный объект — нейтронная звезда (одна чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы больше, чем гора). Процесс коллапсирования останавливается только из-за принципа исключения Паули в квантовой физике, который гласит, что субатомные частицы, такие как нейтроны, не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии в квантовой системе. Если бы нейтронная звезда попыталась коллапсировать дальше (и, таким образом, стать еще плотнее), нейтроны сжались бы с такой силой, что этот принцип начал бы нарушаться. Чтобы избежать этого, нейтроны начинают оказывать давление вовне, и гравитационный коллапс останавливается. В результате получаются одни из самых странных объектов во Вселенной: крошечные оболочки мертвых звезд, продолжающие существовать благодаря квантовой физике и иногда вращающиеся с частотой в сотни и даже тысячи оборотов в секунду.

Нейтронные звезды — экстремальные объекты и близкие родственники черных дыр, поэтому столкновение двух нейтронных звезд в двойной системе является серьезным гравитационным событием. Столкновение и слияние двух нейтронных звезд должно вызывать такую же гравитационную волну, как слияние черных дыр, но большей продолжительности и меньшей энергии. Но главное, что слияние нейтронных звезд предположительно вызовет кратковременную вспышку высокоэнергетического электромагнитного излучения, обнаруживаемую на Земле как гамма-всплеск продолжительностью менее двух секунд, и гораздо более длительную вспышку излучения, известную как «килоновая». Она не такая яркая, как сверхновая, но тем не менее из нее получается своего рода сигнальный огонь после слияния нейтронных звезд — она ярко вспыхивает и затем еще несколько дней догорает. Это означает, что, как только будет обнаружена гравитационная волна от двух сливающихся нейтронных звезд, электромагнитные обсерватории во всем мире должны немедленно броситься искать по всему миру излучение от килоновой, прежде чем оно исчезнет. Это гораздо сложнее, чем кажется. У гравитационных волн чрезвычайно трудно установить точное их расположение на ночном небе. Задействовав оба детектора LIGO в Вашингтоне и Луизиане, можно примерно оценить, откуда исходит гравитационная волна, по тому, какой детектор первым зафиксирует событие, а также по некоторым характеристикам самого сигнала. Если к ним присоединится детектор Virgo в Италии, три обсерватории совместными усилиями смогут точнее определить, откуда исходит сигнал, но сузившаяся территория поиска все равно будет довольно значительным участком неба, где затем нужно будет искать любое излучение, которое можно было бы отнести к столкновению нейтронных звезд.

Охотникам за килоновой потребуется еще доказать, что объект, который они определили как килоновую, появился только после гравитационной волны, а это означает, что им для сравнения понадобятся результаты предшествующих наблюдений этого участка неба. Им также нужно будет доказать, что это именно килоновая звезда, а не какое-то другое переходное явление, соответственно, потребуется внимательно наблюдать за объектом, чтобы убедиться, что он соответствует теоретическим предсказаниям. Это требует умения работать и очень быстро, и очень тщательно, а также использовать огромные архивы данных для поиска предшествующих наблюдений.

Пока гравитационно-волновые обсерватории продолжали обнаруживать все больше достоверных сигналов гравитационных волн от сливающихся черных дыр, астрономы, охотящиеся за излучением, были наготове, как стрелы на натянутых тетивах. Исследовательские группы разрабатывали разные методы поиска на больших участках неба, спорили из-за очереди на телескопное время, заявляли о своем приоритете при отслеживании разнообразных сигналов и составляли подробные планы действий на тот случай, когда сигнал от сливающихся нейтронных звезд будет наконец обнаружен. Это был тот самый сигнал, который поступил ранним утром 17 августа 2017 года.

Когда Коди Мессик застыл на лестнице, уставившись в свой телефон, он не был полностью уверен, что речь идет о настоящей гравитационной волне. Сигнал, о котором упоминало автоматическое текстовое оповещение, был, конечно, необычным — вероятность его случайного появления в данных составляла всего один шанс из десяти тысяч, — но он не был похож на сигнал от предыдущих слияний бинарных черных дыр. Он был дольше, слабее и появился только в детекторе LIGO Hanford в Вашингтоне. У исследователей уже сложилась практика отметать сигналы, если они не зафиксированы обоими детекторами, поскольку сигнал на одном детекторе с большей долей вероятности мог быть локальным шумом, а не реальным сигналом из космоса.

Однако Коди был одним из тех сотрудников, которые специально подписались на оповещения, чтобы также исследовать события, регистрируемые только на одном детекторе, на тот случай, если какое-то из них в конечном итоге окажется реальным. Заинтригованный низкой частотой сигнала, он отправил сообщение своему консультанту Чаду Ханне, который отметил, что сигнал похож на тот, что предполагается при слиянии нейтронных звезд. Он также обратил внимание на то, что космический гамма-телескоп «Ферми» через 1,7 секунды после сигнала гравитационной волны зафиксировал двухсекундный гамма-всплеск, то есть именно такую высокоэнергетическую сигнатуру, какую ожидалось получить при слиянии нейтронных звезд.

Коди и Чад вместе с несколькими членами команды тут же принялись копаться в данных. Быстро подтвердилось, что в данных не было никаких помех и других источников шума. Практика слепых инъекций давно прекратилась, и зафиксированный в это же время гамма-всплеск был неоспоримым доказательством подлинности события. Чад согласился передать информацию всем сотрудникам LIGO, но через несколько минут отправил в чат команды еще одно сообщение, признавшись, что его слишком трясет от волнения и он не в силах напечатать текст. В конце концов письмо разослал Коди,