¿Cuándo presenciaron los telescopios de todo el mundo la fusión de estrellas binarias y qué mostraron?
A las 10 de la noche, hora de Beijing, el 16 de junio, se celebró una conferencia de prensa de dos horas en el Club Nacional de Prensa de Washington. David Reitze, director ejecutivo de LIGO, anunció que LIGO y Virgo utilizarán láseres para interferir con el observatorio de ondas gravitacionales en 2065438. Está formado por la fusión de dos estrellas de neutrones binarias con masas de 1,15 y 1,6 masas solares respectivamente. Según la fecha de detección, el número es GW170817, que está a 65438+300 millones de años luz de nosotros. Además, se ha descubierto la contraparte electromagnética de los eventos de ondas gravitacionales gracias a los esfuerzos conjuntos de muchos astrónomos y equipos de detección de todo el mundo.
A principios de 2016, David Leeds se encontraba en el mismo lugar y anunció la primera detección de ondas gravitacionales; en ese momento dijimos que una nueva era de la astronomía de múltiples mensajeros estaba a punto de comenzar. Durante esta exploración de GW170817, los humanos detectaron simultáneamente ondas gravitacionales y sus contrapartes electromagnéticas por primera vez, lo que puede considerarse como el verdadero comienzo de la era de la astronomía de múltiples mensajeros de ondas gravitacionales y tiene una importancia histórica en la historia del desarrollo de la astronomía. . Por otro lado, la fusión de dos estrellas de neutrones a menudo se considera una fuente de explosiones de rayos gamma, que producen una serie de fenómenos diferentes observados. Por lo tanto, podemos obtener una comprensión más detallada de los misteriosos objetos celestes, como las estrellas de neutrones, integrando ondas gravitacionales, ondas electromagnéticas y otros métodos de observación.
Figura 1: Las ondas gravitacionales y las correspondientes señales electromagnéticas provocadas por la fusión de dos estrellas de neutrones fueron detectadas por el ser humano por primera vez.
Figura 2: Comparación de la duración de la señal de onda gravitacional producida por la fusión de estrellas de neutrones y la señal de onda gravitacional producida por el agujero negro anterior. Esta vez, la estrella de neutrones binaria duró unos 100 segundos y sólo fue visible durante poco más de 50 segundos.
Figura 3: Se puede ver que el tiempo de finalización de la señal de la onda gravitacional LIGO y el tiempo de inicio del estallido gamma están separados por aproximadamente 2 segundos.
Al igual que nuestra primera detección directa de ondas gravitacionales de un agujero negro, la detección de ondas gravitacionales de una estrella de neutrones binaria fue un completo accidente y se produjo un poco antes. Anteriormente, basándose en la comprensión de las estrellas de neutrones binarias y el análisis y comparación de la sensibilidad de detección de LIGO, los científicos estimaron que VIRGO no sería capaz de detectar la fusión de estrellas de neutrones binarias hasta al menos 2019, hasta que LIGO se actualice aún más y alcance el nivel esperado. sensibilidad. La humanidad detectó con éxito la fusión de dos estrellas de neutrones dos años antes de lo previsto. Fue una sorpresa maravillosa. Si investigamos las razones, además del hecho de que el sistema detectado está relativamente cerca de nosotros, la cooperación de muchos aspectos es un factor importante en el éxito de la detección.
1. Cooperación global, dirigida.
El proceso de detección de GW170817 es emocionante y digno de mención, incluso más emocionante que la búsqueda de fugitivos a través del continente por parte de Interpol.
El 17 de agosto de 2065438, astrónomos de todo el mundo recibieron la noticia de que los detectores LIGO y Virgo detectaron una nueva señal de ondas gravitacionales, que duró unos 100 segundos, en forma de dos estrellas de neutrones. La fusión es consistente. Aproximadamente 1,7 segundos después de la llegada de la señal de la onda gravitacional, el Monitor de Explosión de Rayos Gamma (GBM) del satélite Fermi de la NASA y el detector SPI-ACS del Telescopio Integrado Europeo detectaron una débil explosión de rayos gamma de corta duración y lo llamó GRB170817A. Debido a la coherencia del espacio y el tiempo, se cree que están relacionados con eventos de ondas gravitacionales ("correlacionados" significa que los dos fenómenos están relacionados).
Tras conocer la noticia, los telescopios de todo el mundo comenzaron a realizar intensas observaciones. En menos de 11 horas, el telescopio Swope Supernova Survey (SSS) de Chile observó por primera vez una fuente de luz brillante en la galaxia NGC4993. Inicialmente se confirmó que la fuente de luz era su contraparte óptica, numerada 2017gfo/SSS17a. Posteriormente, varios otros equipos probaron y confirmaron de forma independiente la fuente de luz.
Durante las siguientes semanas, los astrónomos utilizaron algunos de los telescopios más avanzados del mundo, como el Telescopio de rayos X Chandra, el Telescopio Espacial Hubble y los Very Large Telescopes de 8,4 metros de diámetro. Como el Atacama Large Millimeter Array ALMA, que tiene la mayor sensibilidad en la banda submilimétrica, han realizado intensas observaciones de esta zona. Estas observaciones proporcionan una descripción completa de este evento catastrófico desde unos 100 segundos antes de la fusión hasta semanas después de la fusión y, en última instancia, confirman muchas de las sospechas de los científicos: la fusión de dos estrellas de neutrones en la galaxia NGC 4993 produjo ondas gravitacionales, gamma corta rayos Tormentas y miles de nuevas estrellas.
Figura 4: (Izquierda) Imágenes ópticas correspondientes a fuentes de ondas gravitacionales vistas por varios telescopios diferentes en la Estación Europea Austral. (Derecha) Imágenes observadas por el Hubble en diferentes momentos.
Este tipo de exploración es la encarnación perfecta de la cooperación global. Sin embargo, como dijo David Leeds en la conferencia de prensa, la detección de señales de ráfagas de rayos gamma del satélite Fermi de la NASA hizo brillar esta exploración LIGO. Aunque la señal de la onda gravitacional precedió a la señal de rayos gamma, curiosamente, la señal de detección del satélite Fermi de la NASA precedió a la señal del equipo LIGO.
La razón es que GRB170817A fue detectado por el monitor GRB del satélite Fermi de la NASA y las alertas relacionadas se enviaron automáticamente al sistema GCN. Sin embargo, el análisis automático de datos de LIGO tarda unos 6 minutos: los científicos descubrieron por primera vez un evento de onda gravitacional candidato GW170817 en datos casi simultáneos del Observatorio Hanford de LIGO, y descubrieron que esta onda gravitacional ocurrió dos segundos antes que GRB170817A, Virgo El Equipo de Respuesta Rápida de Virgo luego manualmente revisó los datos. Más tarde, los científicos confirmaron además la existencia de señales de ráfagas de rayos gamma en los datos de observación del Satélite Integrado Europeo. La señal de estallido de rayos gamma originalmente discreta coexistió con una fuerte onda gravitacional candidata, que de repente despertó el interés de observación de toda la comunidad astronómica, y esta área del cielo también se ha convertido en un objeto de observación popular.
En la cuarta conferencia sobre ondas gravitacionales a finales de septiembre, el recién llegado Virgo redujo el rango de posicionamiento espacial del detector LIGO de 1160 grados cuadrados a 100 grados cuadrados. La cooperación entre los dos ha mejorado enormemente. Precisión de la posición espacial. Si todos los parámetros posibles se estiman más utilizando métodos estadísticos bayesianos, la ubicación espacial se reducirá aún más a 60 grados cuadrados. De esta forma, el posicionamiento espacial se ha mejorado casi 20 veces. En este caso de un evento de estrella de neutrones binaria, tres detectores finalmente localizaron la fuente dentro de 28 grados cuadrados. Precisamente porque la precisión del posicionamiento espacial ha mejorado enormemente, se ha hecho posible la confirmación espacial de la detección del perfil de onda electromagnética.
Figura 5: Comparación de las posiciones espaciales de las cinco ondas gravitacionales detectadas hasta el momento. El amarillo es el área donde la última onda gravitacional GW170817 ha determinado la fuente de la onda gravitacional.
Otra importancia importante de la observación conjunta es la respuesta rápida. Ya sea el estallido de rayos gamma observado por Fermi o la onda gravitacional observada por VIRGO, la duración es muy corta, por lo que otros observatorios y observadores deben realizar un seguimiento inmediato de las posibles áreas, lo que requiere un sistema para informar de inmediato la información de ubicación de las posibles áreas. .
En cuanto a las explosiones de rayos gamma, la red ya apareció durante la operación del satélite BeppoSAX a finales del siglo pasado, y la NASA estableció el sistema de correo electrónico de la Red de Coordinación de Rayos Gamma (GCN). Una vez que el satélite detecta una señal de ráfaga de rayos gamma, enviará la información de ubicación de la ráfaga de rayos gamma al sistema lo más rápido posible. Cualquiera que se suscriba al sistema de correo electrónico puede recibir inmediatamente un aviso sobre posibles observaciones. Esta observación de Fermi utilizó este sistema para notificar a muchas organizaciones de todo el mundo lo más rápido posible, y luego muchos telescopios también se unieron a la observación. Por supuesto, la organización VIRGO, para garantizar sus posibles observaciones de seguimiento, ha firmado contratos de memorando con casi 70 organizaciones de observación en todo el mundo (China tiene casi 10 organizaciones, una vez que se detecta una señal de onda gravitacional). También entregue información relevante a través de sus propios canales únicos.
2. La fusión de estrellas de neutrones dobles tiene mejor pinta que la fusión de agujeros negros dobles.
En la rueda de prensa se mencionó que las ondas gravitacionales detectadas esta vez fueron producidas por la fusión de dos estrellas de neutrones. Los cuatro eventos de ondas gravitacionales previamente anunciados fueron producidos por agujeros negros binarios. La mayor diferencia entre ambos es que la fusión de dos estrellas de neutrones producirá radiación electromagnética, pero en el caso de los agujeros negros normalmente pensamos que no, y esto también ha sido verificado mediante observaciones.
¿Qué causa esta diferencia? En términos generales, según los requisitos teóricos de la radiación astrofísica, para producir radiación electromagnética es necesario que haya gas alrededor de un cuerpo celeste. Para un sistema de agujeros negros, aunque puede haber una gran cantidad de gas alrededor del agujero negro al principio, en el largo proceso de evolución, si no hay más fuentes de gas, el gas se agotará en la etapa final del agujero negro. fusión, por lo que no se puede producir radiación electromagnética. Sólo puede producir ondas gravitacionales que perturban el espacio-tiempo, como las cuatro veces que los científicos las han detectado antes.
Antes de que las dos estrellas de neutrones se fusionaran, el gas circundante probablemente se consumió. Pero durante el proceso de fusión, parte de la materia será expulsada a una velocidad cercana a la velocidad de la luz o mucho menor que la velocidad de la luz, produciendo así varios fenómenos electromagnéticos que vemos: estallidos de rayos gamma a escala de corto tiempo, rayos gamma Resplandor de tormenta y miles de nuevas estrellas. El material que se mueve cerca de la velocidad de la luz produce los estallidos de rayos gamma observados por el satélite Fermi, mientras que el material que se mueve a velocidades más lentas produce miles de nuevas estrellas que son capturadas por muchos telescopios ópticos/infrarrojos.
Espera un momento, ¿qué son los estallidos gamma de corta escala, el resplandor de los estallidos gamma y millones de nuevas estrellas? Hablemos de ellos uno por uno a continuación.
En pocas palabras, una explosión de rayos gamma es un fenómeno en el que la radiación de rayos gamma de repente se vuelve más brillante en una determinada dirección en el cielo. Se puede decir que es la explosión celeste más violenta desde el siglo XIX. Gran explosión. A principios de la década de 1990, el Observatorio de rayos gamma Compton hizo una estadística simple después de observar miles de estallidos de rayos gamma y los dividió en dos categorías según su duración: una categoría era estallidos que duraban más de 2 segundos. explosiones de rayos, y el otro tipo son explosiones de rayos gamma de corta duración con un tiempo de explosión de menos de 2 segundos. Después de una investigación en profundidad, se descubrió que los orígenes de estos dos estallidos de rayos gamma eran completamente diferentes.
Según el conocimiento actual, ya sea un estallido de rayos gamma de larga escala causado por el colapso de una estrella masiva, o un estallido de rayos gamma de corta escala causado por un compacto binario estrella, aunque el objeto central es diferente (ya sea un agujero negro o un magnetar que gira rápidamente), pero el mecanismo de generación y la posterior evolución de los estallidos de rayos gamma pueden explicarse mediante una teoría llamada "modelo de bola de fuego".
En esta teoría, el objeto central produce chorros relativistas extremos relativamente continuos durante un período de tiempo, lo que significa que estos materiales expulsados se moverán hacia afuera a lo largo del eje del objeto casi a la velocidad de la luz. Debido a que hay una ligera diferencia de velocidad entre los materiales expulsados, chocan entre sí, convirtiendo su energía cinética en energía térmica de las partículas de gas, y luego producen la radiación de alta energía que vemos bajo la acción del campo magnético, que es el primer rayo gamma. Una buena explicación para los estallidos de rayos gamma que vemos. Los chorros producidos por estrellas masivas son de larga duración, mientras que los chorros producidos por la fusión de dos estrellas de neutrones son de corta duración, lo que da lugar a diferencias en nuestras observaciones.
Existe un medio gaseoso interestelar rodeando a estas estrellas. Una vez que los materiales del chorro dejen de chocar entre sí, continuarán moviéndose hacia afuera, interactuarán con el medio gaseoso circundante y transferirán la energía de su propio movimiento al gas interestelar circundante. El calentamiento del gas interestelar produce una fuerte radiación, llamada resplandor de una explosión de rayos gamma. Su banda de energía se extenderá desde los rayos X hasta las ondas de radio. En parte, la intensidad del resplandor está relacionada con la densidad del gas interestelar circundante. Cuanto mayor sea la densidad, más brillante será el resplandor.
Este estallido de rayos gamma relacionado con ondas gravitacionales pertenece a un estallido de rayos gamma de escala de tiempo corta, porque la escala de tiempo de explosión observada por el satélite Fermi es de 0,7 segundos. Además, tanto los resultados de las ondas gravitacionales como los resultados de la observación y el ajuste de las ondas electromagnéticas son consistentes con las expectativas de la fusión de estrellas de neutrones binarias. Por ejemplo, el ajuste de la forma de onda de la onda gravitacional nos dice que la masa de la estrella de neutrones es consistente con el rango de masas de la estrella de neutrones.
Durante la fusión de dos estrellas de neutrones, entre 1/1.000 y 1/1.000 de masa solar se lanzó en todas direcciones material con forma de esfera. Estos materiales expulsados producen grandes cantidades de elementos pesados mediante el proceso de captura rápida de neutrones. Estos elementos son inestables y pueden descomponerse rápidamente, produciendo proyectiles calentados por radiación, lo que hace que emitan luz visible brillante y radiación infrarroja cercana. Su brillo suele alcanzar el nivel de nova miles de veces, por eso se les llama "kilonovas". Debido a que esta kilonova está muy cerca de la Tierra, es muy brillante, a una décima parte de la distancia de los estallidos de rayos gamma de corta duración detectados anteriormente.
Figura 6: El proceso de estrellas de neutrones gemelas que giran juntas y finalmente se fusionan para producir miles de nuevas estrellas.
Debido a que los cuerpos celestes que generan ondas gravitacionales son completamente diferentes, las formas de onda de las ondas gravitacionales que observemos serán muy diferentes. En comparación con los agujeros negros, las estrellas de neutrones son mucho menos masivas y las perturbaciones y deformaciones del espacio-tiempo durante el proceso de fusión también son más débiles. Por lo tanto, una vez determinada la sensibilidad actual del detector, solo podemos detectar señales de ondas gravitacionales cercanas. Esta fuente de ondas gravitacionales se encuentra a 130 millones de años luz de distancia y es el último ejemplo de cualquier fuente de ondas gravitacionales detectada hasta ahora. Mediante el ajuste de formas de onda, los científicos determinaron que las masas de las dos estrellas de neutrones son aproximadamente 1,15 y 1,6 masas solares respectivamente. La masa del objeto fusionado es de aproximadamente 2,74 masas solares y solo se expulsan 0,01 masas solares.
3. Misterios resueltos y misterios sin resolver
Antes todavía teníamos muchas preguntas difíciles de responder, ya fuera la propia estrella de neutrones o la gamma producida por la fusión de dos. estrellas de neutrones. Después de que dos estrellas de neutrones se fusionan, ¿es una estrella de neutrones o un agujero negro que gira más rápido? ¿Cuánto material saldrá expulsado por la explosión? ¿Cuál es el mecanismo de inyección y el ángulo de inyección? No estamos seguros todavía.
Además, hasta el momento los científicos no tienen particularmente clara la composición y estructura de las estrellas de neutrones. Cuando dos estrellas de neutrones se acercan pero no se fusionan, las dos estrellas de neutrones se deformarán gravemente por la fuerza gravitacional de la otra, lo que en última instancia afectará la velocidad de giro y la forma de onda de la onda gravitacional. Por lo tanto, los científicos esperan que las observaciones conjuntas de ondas gravitacionales y electromagnéticas puedan proporcionar respuestas valiosas a estas preguntas.
Desafortunadamente, debido a la sensibilidad de los equipos actuales de detección de ondas gravitacionales, la curva de la señal de las ondas gravitacionales no es muy buena, por lo que las preguntas sobre la estructura interna no han sido respondidas. Sin embargo, tenemos una respuesta preliminar a la pregunta de cuánto material se desperdició tras la fusión parcial. Lo que es digno de orgullo es que esta respuesta la dio un telescopio chino que participó en la observación. (La respuesta se anunciará pronto)
¿La fusión de dos estrellas de neutrones produjo una estrella de neutrones o un agujero negro? Aún no estoy seguro. Porque mediante el ajuste de formas de onda gravitacionales, la masa combinada es de aproximadamente 2,74 masas solares. Teóricamente, si la masa de un cuerpo celeste supera las 3 masas solares, se suele considerar un agujero negro. Pero el máximo permitido para las estrellas de neutrones no está claro. Si el interior de una estrella de neutrones está compuesto de neutrones, considerando la ecuación de estado y la velocidad de rotación, es imposible alcanzar 2,74 masas solares. Pero si el interior está compuesto de otras sustancias extrañas (como los quarks), bajo ciertas condiciones, existe una cierta posibilidad de que exista un cuerpo celeste de esta masa. En este momento, este cuerpo celeste debería llamarse "némesis de quarks". Sin embargo, todas las observaciones actuales no logran dar la masa crítica de las estrellas de neutrones y los agujeros negros, y ciertamente no brindan evidencia de la existencia de quarks. Desde el punto de vista de la observación, la estrella de neutrones más pesada que hemos observado tiene aproximadamente 2 masas solares, y el agujero negro más pequeño tiene una masa de 5 masas solares entre las dos, hay una brecha y no se ha encontrado ningún cuerpo celeste compacto; tener una masa de este rango. Por lo tanto, aunque no estamos seguros de qué es el objeto de 2,74 masas solares producido por la fusión de dos estrellas de neutrones, este descubrimiento llena el vacío entre los agujeros negros y las estrellas de neutrones y abre el telón para más descubrimientos astronómicos en el futuro.
Figura 7: Los diagramas de distribución de masas de agujeros negros y estrellas de neutrones detectados actualmente muestran una gran brecha entre los dos. Esta exploración es el primer cuerpo celeste que llena este vacío.
Aunque los científicos no han visto la información dentro de la estrella de neutrones y no saben cuál será la fusión final, muchas observaciones electromagnéticas posteriores aún nos brindaron información incierta. Por ejemplo, las observaciones espectroscópicas realizadas con el Very Large Telescope (VLT) han confirmado el origen de los metales pesados (como los conocidos oro y plata), que se producen principalmente durante la fusión de estrellas de neutrones.
Figura 8: Tabla de orígenes de elementos. El color amarillo representa los elementos producidos por la fusión de estrellas de neutrones. Nuestro oro y plata comunes se producen mediante este proceso.
Los científicos han detectado previamente tres casos de miles de novas en explosiones gamma de corta escala, pero solo vieron unos pocos puntos de datos en las curvas de luz del resplandor. Debido a que la distancia es tan cercana, el resplandor del estallido de rayos gamma es muy débil, lo que confirma plenamente la existencia de miles de nuevas estrellas. Además, al ajustar la evolución de su curva de luz, se puede inferir que alrededor del 1% del material fue desechado durante el proceso de fusión.
Además, ¿qué significa la combinación de señales electromagnéticas y señales de ondas gravitacionales para la propia teoría astronómica? Por un lado, los científicos pueden utilizar la diferencia de tiempo entre la llegada de las dos señales para probar el principio de equivalencia débil de Einstein, que es la piedra angular de la teoría general de la relatividad de Einstein y de otras teorías de la gravedad que una vez más pasaron la prueba.
Además, la combinación de señales de ondas gravitacionales y señales electromagnéticas puede limitar algunos parámetros básicos de la cosmología, como la constante de Hubble, que se utiliza para describir la tasa de expansión del universo. Comparando las amplitudes de las ondas gravitacionales, se puede inferir la distancia fotométrica del sistema a nosotros y, mediante el análisis espectral de las ondas electromagnéticas, se puede conocer el corrimiento al rojo del sistema. Teniendo en cuenta estos dos, podemos calcular el valor de la constante de Hubble:
Comparar con el valor del satélite Planck:
Obviamente, el error numérico dado por las ondas gravitacionales es muy grande. Pero es previsible que con la mejora de la precisión de detección (además de VIRGO, también se ha comenzado a probar el brazo detector KAGRA de 3 kilómetros de longitud; en la India se están planificando muchos detectores de ondas gravitacionales de tercera generación) y la gravedad detectada como A medida que aumenta el número de fuentes de ondas, este error pronto mejorará.
Las ondas gravitacionales se producen en la constelación de Ofiuco en el sur. Es difícil verlas con telescopios en el norte, por lo que la mayoría de los telescopios nacionales, como el recién construido FAST y muchos ópticos, no han podido observarlas. telescopios (telescopio de 2,4 m en Lijiang, Yunnan, Observatorio Astronómico Nacional, Observatorio Xinglong, telescopio óptico de 2,16 m, etc.).
Pero afortunadamente, China tiene dos telescopios que participan en esta observación. Uno de ellos es el Telescopio Óptico Antártico de 50 cm (AST3) ubicado en el Domo A, Antártida. El líder del proyecto es el investigador Wang Lifan del Observatorio de la Montaña Púrpura. Aproximadamente un día después de que se publicara la información sobre la fuente de ondas gravitacionales, el telescopio AST3 observó la fuente objetivo. En ese momento, el invierno antártico acababa de pasar y el horizonte del objeto objetivo estaba bajo. Debido a las limitaciones solares, hay casi 2 horas de observación por día. El telescopio finalmente observó durante 10 días y finalmente obtuvo la curva de luz del objeto objetivo, que era muy consistente con la predicción teórica de una nova gigante.
Otro participante en las observaciones es el Telescopio Espacial de Modulación de Rayos X Duros (también conocido como Ojo). Cuando se publicó la noticia de la observación, el evento se encontraba dentro de su rango de observación, pero desafortunadamente, aunque Yan Hui es el equipo de observación más sensible en esta banda de energía, no pudo detectar ninguna señal electromagnética en la banda de energía de 0,2 a 5 MeV. Puede que tenga algo que ver con que este estallido de rayos gamma no sea del todo adecuado para nosotros.
Esta es la primera vez en la historia de la humanidad que se detectan simultáneamente ondas gravitacionales y sus contrapartes electromagnéticas. Esto se convertirá en otro hito muy importante en la astronomía de ondas gravitacionales. Esta exploración respondió algunas de nuestras dudas, pero también planteó muchas más preguntas. Como todos los descubrimientos astronómicos de la historia, es una victoria y un nuevo punto de partida para la curiosidad humana. Después de que se abra la era de la astronomía de ondas gravitacionales de múltiples mensajeros, creemos que con el poder de la unidad y la cooperación humanas, se revelarán más misterios del universo uno por uno.