Zlewające się gwiazdy neutronowe - jak jedno odkrycie może zmienić astronomię

Gwiazdy neutronowe to jedno z ostatnich stadiów życia gwiazd, bardzo gęste obiekty, które w przestrzeni porównywalnej z kulą o średnicy kilkunastu kilometrów skupiają masę całego Słońca. Nie tak spektakularne jak czarne dziury, ale związana z nimi i falami grawitacyjnymi historia może okazać się nam bliższa. Bliższa, bo wiążąca się z pojęciem pierwiastka, zagadnieniem łatwiejszym w opanowaniu dla laika niż zawiłości teorii grawitacji (tej ogólniejszej, a nie tylko związanej ze spadającym jabłkiem).

Fale grawitacyjne i ich detekcja to temat, który rozbrzmiał głośnym echem na świecie całkiem niedawno przy okazji wręczenia nagród Nobla. To zagadnienie równie trudne z zrozumieniu, co łatwe w opisaniu w kilku zdaniach. Wydawało się, że podobnie jak wiele przełomowych dla nauki odkryć, medialnie będzie o falach grawitacyjnych głośno przez kilka dni, a potem wszyscy wrócą do swoich zajęć. To prawda, dość szybko w centrum zainteresowań pojawiły się imprezy gamingowe w Poznaniu (PGA) i Warszawie (WGW), a także premiery technologii procesorowych (Intel) czy gorące jeszcze doniesienia o nowych smartfonach Huawei.

A jednak temat fal grawitacyjnych powraca ze zdwojoną siłą. I to jako bardzo ciekawa informacja. Przełomowe odkrycie, dzięki któremu wiele klocków w teorii powstawania składników wszechświata wskakuje na swoje miejsce.

Jeśli czytaliście doniesienia o nagrodzie Nobla, to wiecie, że przyznano je za detekcję fal grawitacyjnych, które powstały w wyniku zlania się dwóch bardzo masywnych czarnych dziur. Dotychczas obserwowano efekt tylko takich zjawisk. Tylko jak pokazać fale grawitacyjne inaczej niż machając rękoma. Bo inaczej nie da się udowodnić, że to właśnie dwie czarne dziury się zlały w jedną.

Najlepiej byłoby zobaczyć towarzyszące emisji fal grawitacyjnych zjawisko w falach elektromagnetycznych (em).

Nie koniecznie jako błysk światła widzialnego, ale coś co rejestrują też inne niż detektor LIGO instrumenty. Podobnie jak słyszymy huk i widzimy jego źródło, co pozwala dokładnie określić skąd pochodzi i zrozumieć jego naturę.

Taka okazja trafiła się właśnie niedawno. Tego lata, 17 sierpnia, detektor LIGO zarejestrował przesunięcie położenia zwierciadeł kontrolnych. Przesunięcie bardzo małe, bo porównywalne z rozmiarami pojedynczego atomu, ale bardzo istotne. Okazało się ono wynikiem rejestracji fal grawitacyjnych, których powstanie powiązano z arcyciekawym zjawiskiem jakim jest zlanie się dwóch gwiazd neutronowych. W skali kosmicznej miało ono miejsce nie tak daleko, bo 130 milionów lat świetlnych od Ziemi.

Galaktyka NGC4993 i zaznaczona pozycja zlewających się gwiazd neutronowych

Niespełna dwie sekundy po wykryciu fal grawitacyjnych, orbitalny teleskop promieniowania gamma (najbardziej energetycznej części fal em) Fermi był w stanie również zarejestrować to zjawisko. Potem obserwacje echa zgłosiło kilkadziesiąt obserwatoriów na świecie. Fale grawitacyjne detektor LIGO obserwował 100 sekund. Obserwacje towarzyszące, tak zwane follow-up, trwały jeszcze przez kilka tygodni. Prowadzono je w promieniowaniu rentgenowskim, UV, podczerwieni, falach radiowych, a także w świetle widzialnym, dla naszych zmysłów najbardziej namacalnym. Lecz najważniejsze były pierwsze obserwacje dokonane już kilka godzin po alercie jaki wydał zespół LIGO.

Dokonano ich za pomocą 1 metrowego teleskopu Swope w obserwatorium Las Campanas w Chile. Być może nazwa teleskopu wam niewiele powie, ale przecież kilkaset metrów dalej znajduje się największy polski teleskop optyczny.

Obserwacje wykonane przez HST pokazują pustkę, kilka dni później teleskop Swope (a także większe zlokalizowane na pobliskiej górze teleskopy Magellana) zobaczył echo dawnego zjawiska

To pierwsze obserwowane zjawisko zderzenia się dwóch gwiazd neutronowych pokazuje jak wiele można osiągnąć dzięki pracy zespołowej. Związane z odkryciem prace mają licznych autorów - w tym kilkudziesięciu polskich naukowców.

Obserwacje optyczne z innych teleskopów

Co jest owocem zlania się dwóch czarnych dziur? Wiemy już, że w ten sposób powstaje jeszcze masywniejsza czarna dziura. A co stanie się, gdy zleją się dwie gwiazdy neutronowe. Też powstanie czarna dziura - choć obecnie brak pewności czy w obserwowanym przypadku nie postała na przykład najmasywniejsza znana nauce gwiazda neutronowa. A to dlatego iż zlały się stosunkowo mało masywne obiekty. Ze zlaniem się gwiazd neutronowych wiąże się też tak zwane zjawisko kilonowej, w którym powstają wszystkie ze znanych nam naturalnie występujących pierwiastków w Układzie Okresowym, masywniejsze niż Cyrkon. Wyjaśnijmy sobie co to znaczy.

Układ okresowy, który w XIX wieku opracował Mendelejew, to coś z czym spotyka się każdy z nas na pewnym etapie edukacji. Na lekcjach chemii i fizyki poznajemy znaczenie pojęcia pierwiastek, dowiadujemy się jak są one uporządkowane i dlaczego właśnie w takiej kolejności. Dużo rzadziej poruszane jest zagadnienie, skąd biorą się te elementy.

Wiemy, że pierwiastki sztucznie wytworzone, ulegające bardzo szybkiemu rozpadowi, nie powstają w wyniku naturalnych zjawisk. A co z tymi naturalnymi, skąd pochodzą? Mówi się, że jesteśmy wszyscy dziećmi gwiazd i każdy element naszego organizmu i otoczenia składa się z materii, która powstała w ich piekielnie gorących trzewiach. To prawda, ale tylko po części. Najcięższe z elementów układu okresowego wymagają bardzo dużych energii i gęstości materii, by mogły powstać. Naukowcy od dawna przypuszczali jaki proces za to odpowiada, ale było to tylko teoretyczne bajanie. Teraz raczej nikt im nie zamknie ust, nawet najwięksi sceptycy.

Połączenie się dwóch gwiazd neutronowych doprowadziło do powstania pierwiastków cięższych niż cyrkon, który zajmuje 40 pozycję w Układzie Okresowym Pierwiastków. Wiemy teraz już, skąd biorą się prawie wszystkie elementy klasycznego układu pierwiastków (ten pokazany poniżej kończy się na zajmującym 94 pozycję Plutonie).

Wodór to pierwiastek pierwotny, materia, która powstała w Wielkim Wybuchu. Powstał wtedy również Hel, a także dość problematyczny Lit (jego obfitość w obiektach astronomicznych wymyka się obliczeniom). Te dwa ostatnie pierwiastki powstają również w gwiazdach, a po zakończeniu ich egzystencji trafiają do „obiegu”. Dwa kolejne pierwiastki Beryl i Bor, podobnie jak wczesniejsze występujące w Słońcu, swoje pochodzenie zawdzięczają zjawisku rozszczepienia z udziałem promieniowania kosmicznego.

Kolejne na liście Układu Okresowego pierwiastki takie jak Węgiel, Azot, Tlen, czyli bardzo ważne dla życia biologicznego składniki powstają we wnętrzach gwiazd. I tak do wspomnianego cyrkonu. Pierwiastki mogą powstawać w gwiazdach o niewielkiej masie, które nie kończą żywota w spektakularnej eksplozji, aczkolwiek spora cześć ich masy zostaje wyrzucona w Kosmos, a także w masywnych obiektach, których koniec wiąże się na przykład z powstaniem gwiazd neutronowych. Innym zjawiskiem, które odpowiada za powstawanie pierwiastków mogą być eksplozje białych karłów (to gwiazdy na późnym etapie ewolucji, które najlepiej opisać jako odarte z otoczki skomasowane jądra gwiazd).

Niektóre pierwiastki cięższe niż Cyrkon nie wymagają do powstania zlania się gwiazd neutronowych, ale właśnie to zjawisko najefektywniej nam ich dostarcza. Są to pierwiastki, które na Ziemi znajdują się w relatywnie niewielkiej ilości (stąd nazwa pierwiastki ziem rzadkich w odniesieniu do wielu z nich). Za to w procesie złączenia się gwiazd neutronowych powstaje ich ogromna ilość. Obliczenia bazujące na obserwacjach fal grawitacyjnych w różnych przedziałach promieniowania em pozwoliły ocenić obfitość związków, które powstały w obserwowanym zjawisku. Dla przykładu powstało wtedy złoto o masie kilkudziesięciokrotnie przekraczającej masę Ziemi.

Jeśli teraz ktoś zapyta się was, skąd bierze się na przykład bardzo niebezpieczny dla żywych organizmów Polon, możecie odpowiedzieć, że podczas złączenia się gwiazd neutronowych.

Ogłoszone właśnie odkrycie fal grawitacyjnych pochodzących od zlewających się gwiazd neutronowych pozwoliło nam uściślić teorie postawiania ciężkich pierwiastków. Potwierdziło teorie sugerujące zachodzenie takich zjawisk, które są jednocześnie jednym ze sposobów powstawania czarnych dziur. Udało się też powiązać ze zlaniem gwiazd neutronowych zjawisko GRB (błysk promieniowania gamma), co przekonuje o słuszności kolejnej teorii. Analiza danych potwierdza przypuszczenia, że fale grawitacyjne (z bardzo niewielkim błędem pomiaru) rozchodzą się z prędkością światła. Długi czas obserwacji fal grawitacyjnych (100 sekund) to doskonała dawka informacji dla teoretyków. I w końcu po raz pierwszy zobaczyliśmy światło widzialne powiązane ze zjawiskiem wykrytym z kolei w sposób trudny do pojęcia przez laika.

Astronomowie już zacierają ręce i wieszczą nową erę odkryć. I nowych pytań, bo mieliśmy wielkie szczęście, skoro teoria mowi, że takie zjawiska jak zlanie się dwóch gwiazd neutronowych są bardzo rzadkie. Poza tym obserwacje zespołowe pokazały jak pomocne mogą być dane zebrane nawet przez amatorów. Tym razem nie brali oni udziału, ale opisane powyżej zjawisko w świetle widzialnym można było zaobserwować i lepszym amatorskim sprzętem. Trzeba tylko wiedzieć gdzie i kiedy skierować teleskop. Wymaga to upublicznienia systemu alertów przez instytucje takie jak LIGO.

Źródło: Inf. własna, LIGO, ESO, foto wejściowe: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet