Wizja artystyczna autorstwa A. Simmonet zlewających się ze sobą gwiazd neutronowych, produkujących zmarszczki otaczającej je czasoprzestrzeni. Żródło: NSF/LIGO.

Wyobraź sobie, Czytelniku, układ 2 gwiazd neutronowych (czyli bardzo gęstych, przekraczających masę Słońca i liczących zaledwie 30 km średnicy) które krążą wokół siebie (a ściślej, wspólnego środka masy). Każda z nich rada byłaby zamienic się w czarną dziurę ale w pojedynkę żadna z nich tego nie osiągnie.

Ale od czego układy podwójne i utrata energii ruchu orbitalnego przy udziale fal grawitacyjnych? Białe karły wybuchają – mając towarzysza w stadium ewolucyjnym czerwonego olbrzyma i akreując (ściągając na otaczający je dysk) na siebie jego materię – jako supernowe. Szacuje się że co roku w galaktyce wielkości naszej przynajmniej jedna taka eksploduje.

Gwiazdom neutronowym pozostaje jedynie własne towarzystwo. Moga się złączyć, przekroczyć tym samym górne ograniczenie na masę pojedynczej gwiazdy neutronowej i się prawdopodobnie zapaść. Ale w przeciwieństwie do części klasycznych supernowych, coś po nich zostanie. Pancerz metali ciężkich i szlachetnych jakie powstają tylko – jak dotąd sądzono – w efekcie odrzutu mgławicy po supernowej lub rozrzuceniu resztek niedoszłego pulsara (bo są i takie supernowe które obiektu centralnego nie tworzą).

Położenie źródła GW170817 na niebie uzyskane metodą triangulacji sygnałów z trzech detektorów fal grawitacyjnych. Źródło: LIGO/VIRGO.

I tak się stało zjawisko zwane GW170817. Prawie pół roku temu detektory LIGO w Hanford I Louisville a także nowo uruchomiony detektor VIRGO uchwyciły sygnał na którego detekcję zostały nastrojone – falę grawitacyjną (Gravity Wave). Dzięki ocenie różnic w czasie przyjścia te trzy detektory wystarczyły żeby dokonać oszacowania z którego miejsca na niebie przyszedł ów sygnał.

Gdzieś spomiędzy gwiazdozbiorów Hydry i Węża Morskiego. Zlokalizowano tam (innymi, mającymi z zespołami LIGO I VIRGO porozumienie o współpracy, instrumentami) kilkanaście galaktyk, wśród nich NGC 4993. Oddalona o 150 mln lat świetlnych nie wyglądała do tej pory szczególnie.

Położenie na mapie nieba galaktyki NGC 4993. Jest ono znakomicie zbieżne z kierunkiem nadejścia do nas sygnału GW170817. Źródło: ESO/IAU/S&T.

Aż do 17 sierpnia ubiegłego roku. Skierowane na nią różnego rodzaju teleskopy (kilkadziesiąt) odkryły świecącą w wielu długościach fal poświatę (afterglow) która w dodatku słabła i sugerowała coś innego niż supernową. Z racji faktu że świeciła słabiej niż klasyczne supernowe (te osiągają jasność dziesiątków miliardów słońc) – nazwano ją kilonową. Bo świeciła “tylko” jak 100 milionów słońc.

Co jeszcze ciekawsze, emisja na różnych długościach fal zaczęła się w nieco różnych momentach po zlaniu się gwiazd neutronowych. To zapoczątkowało w praktyce imponujące odkrycie dokonane za pomocą tzw. astronomii wielozakresowej (multi-messenger) o której użyciu naukowcy myśleli od przynajmniej 15 lat – tylko nie było zbyt wielu obiektów służących za demostrację siły tej metody.

Masy obiektów pozostających po gwiazdach (graveyard – cmentarzysko). Na fioletowo i niebiesko zlewające się czarne dziury (wyznaczone odpowiednio obserwacją elektromagnetyczną i grawitacyjną), na żółto gwiazdy neutronowe (elektromagnetycznie) i na pomarańczowo – GW170817. Źródło J. Johnson/SDSS/CC BY 2.0.

I jeszcze jedno – dotychczasowe sygnały detekcji fal grawitacyjnych trwały po kilka sekund. Tym razem odróżnialny od szumu tła sygnał utrzymywał się ponad 100 sekund “nad kreską”. I zamilkł w pisku trwającym ułamki sekund. Masę nowo powstałego obiektu szacuje się na 2,7-2,8 mas Słońca. To więcej niż zwykła pojedyncza gwiazda neutronowa. A wiemy, co jest cięższe i może istnieć – to gwiazdowa czarna dziura. Chyba że czegoś o gwiazdach neutronowych nie wiemy…

Czy przyłapaliśmy naturę na akcie tworzenia czarnej dziury? I to przez wiele teleskopów tworzących sieć obserwacji na niemal wszystkich dostępnych częstotliwościach – od gamma po radiowe? Wydaje się, że akt tworzenia który widzieliśmy jest tylko czubkiem góry lodowej konglomeratu zjawisk jakie przy pomocy astronomii wielozakresowej możemy obserwować i analizować.

This composite shows images of the galaxy NGC 4993 from several different ESO telescopes and instruments. They all reveal a faint source of light close to the centre. This is a kilonova, the explosion resulting from the merger of two neutron stars. This merger produced both gravitational waves, detected by LIGO–Virgo, and gamma rays, detected by Fermi and INTEGRAL in space.

Jest też szereg pytań – gdzie jest jasna struga (dżet) która powinna takiemu zjawisku towarzyszyć? Może w kokonie który blokuje bezpośrednie z niej promieniowanie? Czy jednak nie powstała wyjątkowo masywna gwiazda neutronowa a nie czarna dziura? Jak upewnić sie co do masy którą posiada nowo powstały obiekt skoro nie było żadnego sygnału tuż po zlaniu się obiektów (tzw. ring-down phase)?

Układ okresowy pierwiastków (tablica Mendelejewa) z etiologiami ich powstawania w Kosmosie: Na czerwono Wielki Wybuch, Na fioletowo rozpad (fission) promieni kosmicznych, , niebieski – wybuchy białych karłów (jasny) i gwiazd bardziej masywnych (ciemniejszy), rozpad gwiazd małej masy (pomarańczowo), zlanie się gwiazd neutronowych – na zółto. Żródło: LIGO/VIRGO/F. Elousky.

I jeszcze jedna, ważna odpowiedź: upewniliśmy się (śledząc sygnatury widm pierwiastków występujących w poświacie przy pomocy instrumentu X-Shooter na Very Large Telescope) że wiele z cięższych od żelaza klocuszków budujących materię (także Ziemię) ujętych w tablicy Mendelejewa może powstać właśnie w takim zjawisku, Niektórzy szacują, że w takiej jak GW170817 eksplozji powstawać może nawet kilka mas Księżyca… czystego złota! Dostrzeżono też platynę i ołów. Czyli coś, co było mantrą znanych mi podręczników (że ciężkie pierwiastki powstają wyłącznie w supernowych) na moich oczach przestało obowiązywać! Czy to nie dobry powód by śledzić kolejne odkrycia dokonywane przez coraz częściej współpracujące wspólnoty astronomów amatorów i profesjonalistów (rozbłysk w galaktyce NGC 4993 był dostępny także dużym teleskopom amatorskim) a może nawet w nich uczestniczyć?

Widok kilonowej w galaktyce NGC 4993 w momencie odkrycia i nadejścia fal grawitaycjnych (17 sierpnia 2017) i 4 dni później. Widać poświatę po wybuchu ale póki co, nie ma też strugi (jetu).

Te pytania poddaję pod Twoją refleksję, Czytelniku. I do zobaczenia na szlaku lub przy teleskopie!

Doktorek