Teleskopy ESO obserwują pierwsze światło z źródła fal grawitacyjnych

Flota teleskopów Europejskiego Obserwatorium Południowego w Chile odkryła pierwsze widoczne źródło fal grawitacyjnych. Takie historyczne obserwacje wskazują, że ten unikalny obiekt stanowi wynik połączenia dwóch gwiazd neutronowych. Kataklizmiczne skutki tego typu połączenia – od dawna przewidywanych zdarzeń zwanych kilonową – to rozsiewanie ciężkich pierwiastków takich jak złoto czy platyna po Wszechświecie. Odkrycie opublikowane w kilku artykułach, które ukazały się w Nature oraz innych periodykach, stanowi najsilniejsze potwierdzenie faktu, że krótkotrwałe błyski promieniowania gamma emitowane są w procesie łączenia gwiazd neutronowych.

Po raz pierwszy w historii astronomowie zaobserwowali jednocześnie fale grawitacyjne oraz światło z tego samego zdarzenia. Sukces ten możliwy był dzięki globalnej współpracy i szybkiej reakcji teleskopów na całym świecie.

17 sierpnia 2017 roku obserwatorium LIGO w USA współpracujące z interferometrem Virgo we Włoszech zarejestrowało fale grawitacyjne przechodzące przez Ziemię. Piąte tego typu zdarzenie otrzymało oznaczenie GW170817. Jakieś dwie sekundy później, dwa obserwatoria kosmiczne: Teleskop Kosmiczny promieniowania gamma Fermi oraz INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), zaobserwowały krótki rozbłysk promieniowania gamma pochodzący z tego samego obszaru nieba.

Sieć obserwatorium LIGO-Virgo umieściła źródło na dużym obszarze nieba południowego o rozmiarach rzędu kilkuset tarcz Księżyca w pełni i zawierającym miliony gwiazd. Wraz z nastaniem nocy w Chile wiele teleskopów wpatrywało się w ten fragment nieba poszukując nowych źródeł. Wśród nich były Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) oraz VLT Survey Telescope (BST) w Obserwatorium Paranal, włoski Rapid Eye Mount (REM) w Obserwatorium La Silla, 0,4-metrowy teleskop LCO w Obserwatoriium Las Cumbres, amerykański DECam w Obserwatorium Cerro Tololo. 1-metrowy teleskop Swope był pierwszym, który zarejestrował nowe źródło światła. Pojawiło się ono bardzo blisko NGC 4993, galaktyki soczewkowatej w gwiazdozbiorze Hydry. W tym samym czasie VISTA zarejestrowała to źródło w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Z czasem obiekt został zaobserwowany przez teleskopy Pan-STARRS oraz Subaru, dzięki czemu możliwa była obserwacja gwałtownej ewolucji obiektu.

„Rzadko kiedy naukowiec ma okazję być świadkiem narodzin nowej ery w nauce”, mówi Elena Pian, astronomka w INAF we Włoszech, główna autorka jednego z artykułów w Nature. „Z takim przypadkiem mamy do czynienia właśnie teraz”!

ESO rozpoczęło jedną z największych w historii kampanii obserwacyjnych, w ramach której wiele teleskopów należących do ESO i do partnerów ESO obserwowało obiekt przez kilka tygodni po zarejestrowaniu zjawiska. Bardzo Duży teleskop (VLT), New Technology Telescope (NTT), VST oraz 2,2-metrowy teleskop MPG/ESO i obserwatorium ALMA obserwowały zjawisko i jego skutki w szerokim zakresie promieniowania. Około 70 obserwatoriów z całego świata także obserwowało zdarzenie. Wśród nich był m.in. Kosmiczny Teleskop Hubble’a.

Szacunki odległości na podstawie fal grawitacyjnych jak i innych danych obserwacyjnych wskazują, że GW170717 dzieli od nas ta sama odległość co NGC 4993 – jakieś 130 milionów lat świetlnych. Jest to zatem najbliższe dotąd zarejestrowane źródło fal grawitacyjnych i zarazem jedno z najbliższych obserwowanych źródeł rozbłysków promieniowania gamma.

Za zmarszczki czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi odpowiedzialne są poruszające się masy, jednak aktualnie możemy obserwować tylko te najbardziej intensywne powstałe wskutek gwałtownych zmian prędkości bardzo masywnych obiektów. Jednym z takich zdarzeń jest połączenie dwóch gwiazd neutronowych, ekstremalnie gęstych, zapadniętych jąder masywnych gwiazd, będące pozostałościami po supernowych. Owe połączenia jak dotąd były główną hipotezą na wytłumaczenie krótkich błysków promieniowania gamma. Wybuchowe zdarzenie 1000 raz jaśniejsze od typowej nowej – zwane kilonowa – powinno być następstwem takiego zderzenia.

Niemal jednoczesne wykrycie fal grawitacyjnych i promieniowania gamma z GW170817 dało naukowcom nadzieję, że obserwowany obiekt faktycznie jest poszukiwaną od dawna kilonową, a obserwacje prowadzone za pomocą instrumentów ESO potwierdziły, że obserwowane właściwości są zdumiewająco bliskie teoretycznym przewidywaniom. Istnienie kilonowych zasugerowano ponad 30 lat temu – teraz mamy do czynienia z pierwszymi potwierdzonymi obserwacjami.

Po połączeniu dwóch gwiazd neutronowych, rozbłysk radioaktywnych ciężkich pierwiastków opuścił kilonową z prędkością równą 1/5 prędkości światła. Barwa kilonowej zmieniła się z bardzo niebieskiej na bardzo czerwoną w ciągu następnych kilku dni – to szybsza zmiana niż jakakolwiek wcześniej obserwowana po eksplozji.

„Gdy widmo pojawiło się na naszych ekranach, uświadomiłem sobie, że to najbardziej nietypowe zjawisko przejściowe jakie kiedykolwiek widziałem”, mówi Stephen Smartt, który prowadził obserwacje na NTT w ramach rozszerzonego programu obserwacyjnego ePESSTO (extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects). „Nigdy wcześniej niczego podobnego nie widziałem. Nasze dane wraz z danymi z innych grup dowiodły, że to nie jest supernowa ani gwiazda zmienna, a coś zupełnie innego”.

Widma zebrane w ramach ePESSTO oraz za pomocą instrumentu X-shooter na VLT wskazują na wyrzucenie cezu i telluru z łączących się gwiazd neutronowych. Te i inne ciężkie pierwiastki powstałe w procesie łączenia gwiazd neutronowych, zostały następnie wywiane w przestrzeń kosmiczną w eksplozji kilonowej. Obserwacje te wskazują na powstawanie pierwiastków cięższych od żelaza w procesie fuzji jądrowej w bardzo gęstych obiektach gwiezdnych w procesie nukleosyntezy r, która dotychczas była tylko teorią.

„Dane, które przeanalizowaliśmy dotychczas zaskakująco dobrze zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi. To prawdziwy triumf teoretyków, potwierdzenie, że zdarzenia rejestrowane przez LIGO-Virgo są rzeczywistością”, dodaje Stefano Covino, główny autor jednego z artykułów opublikowanych w Nature.

Uwagi:

1. Obserwatoria LIGO i Virgo zawęziły obszar, na którym znajdowało się źródło promieniowania do 35 stopni kwadratowych.
2. Galaktyka obserwowana była tylko w sierpniu, bowiem we wrześniu znalazła się za blisko Słońca na niebie.
3. Stosunkowo niewielka odległość między Ziemią a miejscem zderzenia dwóch gwiazd neutronowych 130 milionów lat świetlnych od Ziemi pozwoliła nam na zaobserwowanie zjawiska, bowiem łączące się gwiazdy neutronowe emitują słabsze fale grawitacyjne niż łączące się czarne dziury.
4. Gdy gwiazdy neutronowe krążą wokół wspólnego środka masy w układzie podwójnym, tracą energię emitując fale grawitacyjne. Zbliżają się do siebie do momentu spotkania, kiedy to część ich masy zamieniana jest na energię emitowaną w postaci fali grawitacyjnych.