Ілюстрацыя мастака дзвюх злітых нейтронных зорак. Сетка касмічнай прасторы ўяўляе сабой гравітацыйныя хвалі, выпраменьваныя пры сутыкненні, у той час як вузкія прамяні - гэта бруі гама-прамянёў, якія страляюць праз некалькі секунд пасля гравітацыйных хваль (выяўленыя астраномамі як выбух гама-прамяня). Крэдыт на малюнак: NSF / LIGO / Універсітэт Санома / А. Сіманет.

Спытайце ў Ітана: Чаму святло прыйшоў 1,7 секунды пасля гравітацыйных хваль у зліцці нейтроннай зоркі?

Падарожжа ў 130 мільёнаў светлавых гадоў абодва сігналу павінны рухацца са хуткасцю святла. Дык чаму адзін сюды трапіў?

17 жніўня, пасля дарогі, якая доўжылася 130 мільёнаў гадоў, сігнал гравітацыйнай хвалі дзвюх нейтронных зорак, якія ўкручваліся на заключных этапах зліцця, нарэшце прыбыў на Зямлю. Калі сутыкнуліся паверхні дзвюх зорак, сігнал рэзка скончыўся, і тады нічога не было. Хоць гэтыя зорныя трупы, магчыма, дыяметрам усяго 20 кіламетраў, рухаліся са хуткасцю святла каля 30%, мы адразу ж нічога не бачылі. Толькі праз 1,7 секунды прыйшоў першы сігнал: святло ў выглядзе гама-прамянёў. Чаму гэта затрымка адбылася? Гэта неверагоднае пытанне, і што Джоэл Мілс хоча ведаць:

Калі ласка, абмяркуйце значнасць 1,7 сек. розніца ў часе прыбыцця паміж GW і Gamma Ray выбухнула для нядаўняй падзеі зоркі "Нейтрон".

Давайце паглядзім на тое, што мы бачылі, і паспрабуем высветліць, чаму такая затрымка наогул існавала.

Зорныя нейтроны, калі яны зліваюцца, могуць дэманстраваць гравітацыйныя хвалі і электрамагнітныя сігналы амаль адначасова. Але дэталі зліцця даволі дзіўныя, бо тэарэтычныя мадэлі не зусім адпавядаюць таму, што мы назіралі. Крэдыт малюнка: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

Калі нейтронныя зоркі натхнялі і зліваліся, сігнал гравітацыйнай хвалі станавіўся ўсё мацней і мацней. У адрозненне ад зліцця чорных дзірак, у аснове няма гарызонту падзей і асаблівых асаблівасцей. Для нейтронных зорак існуе "цвёрдая" паверхня, якая складаецца ў асноўным з нейтронаў (90%) з іншымі атамнымі ядрамі (і некалькімі электронамі) на краі. Калі гэтыя дзве паверхні сутыкаюцца адна з адной, мяркуецца, што ўзнікне сур'ёзная ўцекачная ядзерная рэакцыя, у выніку якой:

  • выгнанне значнай колькасці матэрыі, шмат разовай масы Юпітэра,
  • фарміраванне цэнтральнага абрушанага аб'екта, верагодна, чорная дзірка не больш чым на некалькі сотняў мілісекунд для гэтых канкрэтных мас,
  • а потым паскарэнне і выкідванне матэрыялу, навакольнага аб'екты, якія зліваюцца.
Мы ведалі, што, калі дзве нейтронныя зоркі зліваюцца, як імітавана тут, яны ствараюць бруі гама-прамянёў, як і іншыя электрамагнітныя з'явы. Але чаму выбух гама-прамяня адбыўся праз 1,7 секунды пасля гравітацыйнага зліцця нейтронных зорак, пакуль не мае канчатковага адказу. Крэдыты: НАСА / Інстытут Альберта Эйнштэйна / Інстытут Zuse Берлін / М. Копіц і Л. Рэзола.

Цяпер мы ведаем, што дзякуючы назіранням, сабраным звыш 70 тэлескопаў і спадарожнікаў, ад гама-прамянёў аж да даўжыні радыёхвалі, менавіта адсюль паходзіць большасць самых цяжкіх элементаў перыядычнай табліцы. Мы ведаем, што хутка якая верціцца нейтронная зорка, верагодна, утварылася ў ядры на долю секунды, а потым абвалілася ў чорную дзірку. І нам вядома, што першы электрамагнітны сігнал ад гэтага зліцця - высокаэнергетычныя гама-прамяні - прыйшоў усяго праз 1,7 секунды пасля таго, як сігналы гравітацыйнай хвалі скончыліся. На працягу 130 мільёнаў гадоў, які святло падарожнічае, гэта азначае, што гравітацыйная хваля і электрамагнітныя сігналы рухаліся з аднолькавай хуткасцю лепш, чым адна частка ў чатыры мільёны: 1 у 1015.

У апошнія моманты зліцця дзве нейтронныя зоркі не проста выпраменьваюць гравітацыйныя хвалі, але і катастрафічны выбух, які гучыць па ўсім электрамагнітным спектры. Розніца ў часе прыбыцця паміж лёгкімі і гравітацыйнымі хвалямі дазваляе нам даведацца шмат новага пра Сусвет. Малюнак: Універсітэт Уорыка / Марк Гарлік.

Але чаму гама-прамяні сюды трапілі? Чаму яны проста не прыбываюць адначасова з гравітацыйнымі хвалямі? Ёсць два магчымыя верагодныя сцэнары:

  1. Гама-прамяні не выпраменьваліся да 1,7 секунд пасля першага кантакту паверхняў нейтронных зорак,
  2. Ці гама-прамяні выпраменьваліся практычна адразу і затрымліваліся, калі яны праходзілі па навакольным рэчыве.

Абодва гэтыя магчымасці ўтрымліваюць меркаванне, што праўдзівым адказам можа быць спалучэнне абодвух фактараў альбо малаверагодная альтэрнатыва экзатычнай фізіцы (напрыклад, некалькі іншая хуткасць гравітацыйных хваль і электрамагнітных хваль). Давайце разбярэмся, як могуць разыграцца абодва сцэнары.

Падчас унутранага і зліцця двух нейтронных зорак павінна быць вызвалена велізарная колькасць энергіі, а таксама цяжкія элементы, гравітацыйныя хвалі і электрамагнітны сігнал, як паказана тут. Малюнак: NASA / JPL.

Затрымка выпраменьвання гама-прамянёў: калі дзве нейтронныя зоркі сутыкаюцца, мы ведаем, што яны генеруюць гама-прамяні. Ужо больш за 20 гадоў вядучай тэорыяй з'яўляецца тое, што паходжанне кароткачасовых выбухаў гама-прамянёў звязана з сутыкненнямі нейтронных зорак. Але генеруюцца гама-прамяні:

  • на паверхні нейтронных зорак,
  • ад сутыкнення выкінутага матэрыялу з навакольным рэчывам,
  • ці ўнутры стрыжняў нейтронных зорак?

Калі гэта адзін з двух апошніх варыянтаў, гэтыя гама-прамяні трэба было б адкласці. Спатрэбіцца час, каб нейтронныя зоркі зліваліся, выкідвалі матэрыял, каб гэты матэрыял сутыкнуўся з навакольным рэчывам, а потым гэты высокаэнергетычны матэрыял выпраменьваў гама-прамяні. Калі матэрыял знаходзіцца на значнай адлегласці ад нейтроннай зоркі, як дзясяткі ці сотні тысяч кіламетраў, гэта вельмі проста растлумачыць затрымку.

Акрамя таго, калі гама-прамяні генеруюцца не на паверхні, а ў інтэр'ерах якія сутыкаюцца нейтронных зорак, мы маглі б чакаць, што адбудзецца затрымка, паколькі святлу спатрэбіцца час для распаўсюджвання на паверхню нейтроннай зоркі, дзе гэта можа быць вызвалены. Гравітацыйныя хвалі не затрымліваюцца, калі трэба падарожнічаць па шчыльнай матэрыі, але святло ёсць. Гэта было б надзвычай аналагічна таму, што мы назіралі падчас звышновай, якую мы бачылі ў 1987 годзе, калі нейтрына (якія не затрымліваюцца пры праходжанні праз матэрыю) прыбылі за чатыры гадзіны да першых светлавых сігналаў, дзякуючы таму, што свет запаволіўся ад яго неабходнасці прайсці праз вялікую колькасць матэрыі. Любое з гэтых тлумачэнняў можа выклікаць затрымку выпраменьвання гама-прамянёў.

Ілюстрацыя хуткага разрыву гама-прамянёў, доўга думалася, што ўзнікае пры зліцці нейтронных зорак. Багатае газам навакольнае асяроддзе можа затрымаць сігнал. Малюнак: ESO.

Неадкладнае выпраменьванне, але затрымка прыходу гама-прамянёў: гэта іншы галоўны сцэнар. Нават калі гама-прамяні выпраменьваюцца адразу, яны ўсё роўна павінны прайсці праз навакольнае рэчыва, якое атачае нейтронную зорку. Гэта павінна быць багатым рэчывам, таму што пры руху нейтронных зорак, якія хутка (блізка да хуткасці святла) праз космас, і пры інтэнсіўным магнітным полі, якое яны вырабляюць, матэрыял абавязкова будзе выкідвацца і пазбаўляцца, калі яны натхняюцца і зліваюцца. Гэты танец працягваецца ўжо даўно, і таму, безумоўна, ёсць вялікая колькасць матэрыі, праз якую павінна прайсці святло, перш чым яно можа прыйсці да нас. Ці ёсць дастаткова матэрыя, каб выклікаць затрымку 1,7 секунды? Магчыма, і гэта іншы галоўны варыянт.

Пульсар Велы, як і ўсе пульсары, з'яўляецца прыкладам трупа нейтроннай зоркі. Газ і рэчыва, якія яго акружаюць, сустракаюцца даволі часта, і вакол нейтронных зорак, якія назіраюцца ў GW170817, можа паўстаць адказнасць за затрымку. Малюнак: NASA / CXC / PSU / Г.Паўлаў і інш.

Тое, як мы прыйдзем да адказу, ўключае ў сябе спалучэнне вывучэння дадатковых падзей у розных дыяпазонах мас: ніжэй камбінаванай масы 2,5 сонечных мас (там, дзе вы павінны атрымаць стабільную нейтронную зорку), паміж 2,5 і 3 сонечнымі масамі (напрыклад, падзея, якую мы бачылі, дзе вы атрымліваеце часовую нейтронную зорку, якая становіцца чорнай дзіркай), і вышэй 3 сонечных мас (куды вы ідзяце непасрэдна ў чорную дзірку) і вымярэння светлавых сігналаў. Мы таксама даведаемся больш, хутчэй нагнаўшы фазу ўдыху і зможам загадзя паказаць крыніцу да зліцця. Паколькі LIGO / Дзева і іншыя гравітацыйныя дэтэктары хваляў прыходзяць у Інтэрнэт і становяцца больш адчувальнымі, у гэтым мы станем лепш і лепш.

Рэшткі наднавы 1987a, размешчанай у Вялікім Магеланавым воблаку, каля 165 000 светлавых гадоў. Той факт, што нейтрына прыбыў за некалькі гадзін да з'яўлення першага светлавога сігналу, навучыў нас больш пра працягласць руху святла па пластах звышновай зоркі, чым пра хуткасць руху нейтрына, якая не адрознівалася ад хуткасці святла. Малюнак: Ноэль Карбоні і ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

Экзатычныя ідэі, як розная хуткасць для гравітацыі і святла, зусім непатрэбныя для тлумачэння гэтага назірання. Некалькі розных радкоў думкі з удзелам звычайнай фізікі могуць быць паспяховымі пры апісанні таго, чаму адбылася невялікая затрымка ў 1,7 секунды. У той час як гравітацыйныя хвалі проста праходзяць праз матэрыю без перашкод, святло ўзаемадзейнічае з ёй электрамагнітна, і гэта можа змяніць сітуацыю ў свеце. Аднак у адрозненне ад звышновых, аб'екты (зоркі нейтронаў), якія ствараюць выбухі гама-прамянёў, малюсенькія, і таму дзе б ні знаходзілася рашэнне, гэта, хутчэй за ўсё, прадугледжвае разуменне катаклізму ў надзвычай кароткія тэрміны. Пакуль тэарэтыкі імкнуцца дагнаць, дадзеныя ўжо ёсць. Наступная падзея можа змяніць усё ў свеце.

Адпраўце свае пытанні па пытанню Ітана да startwithabang на gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан напісаў дзве кнігі: Beyond The Galaxy, іTreknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.