Komunikat prasowy

Teleskopy ESO zaobserwowały pierwsze światło od źródła fal grawitacyjnych

Zderzenie gwiazd neutronowych rozprzestrzenia w kosmosie złoto i platynę

16 października 2017

Wiele teleskopów ESO w Chile wykryło pierwszego optycznego odpowiednika dla źródła fal grawitacyjnych. Te historyczne obserwacje sugerują, że unikalny obiekt jest wynikiem zlania się (ang. merger) dwóch gwiazd neutronowych. Kataklizmiczne następstwa tego typu zdarzenia - od dawna przewidywane zjawiska zwane kilonowymi – rozprzestrzeniają we Wszechświecie ciężkie pierwiastki, takie jak złoto i platyna. Niniejsze odkrycie, opisane w kilku publikacjach w czasopiśmie „Nature” i innych magazynach, dostarcza także najsilniejszego jak dotąd dowodu na to, że krótkotrwałe błyski gamma są powodowane przez zderzenia gwiazd neutronowych.

Po raz pierwszy w historii astronomom udało się zaobserwować zarówno fale grawitacyjne, jak i światło (promieniowanie elektromagnetyczne) od tego samego zdarzenia. Było to możliwe dzięki wspólnym, globalnym wysiłkom i szybkiej reakcji obserwatoriów ESO oraz innych placówek na całym świecie.

17 sierpnia 2017 r. należące do NSF obserwatorium Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w Stanach Zjednoczonych, współpracując z Interferometrem Virgo we Włoszech, wykryło fale grawitacyjne docierające do Ziemi. Zdarzenie to nazwano GW170817. Była to piąta detekcja fal grawitacyjnych. Około dwie sekundy później dwa kosmiczne obserwatoria, należący do NASA teleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope i należące do ESA obserwatorium INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), zarejestrowały krótki rozbłysk gamma z tego samego obszaru na niebie.

Sieć obserwatoriów LIGO–Virgo ustaliła pozycję źródła w dużym obszarze nieba południowego o rozmiarach kilkuset tarcz Księżyca w pełni, zawierającym miliony gwiazd [1]. Gdy w Chile zapadła noc, wiele teleskopów zaczęło przeczesywać ten fragment nieba w poszukiwaniu nowych źródeł. Wśród tych instrumentów były należące do ESO teleskopy Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) i VLT Survey Telescope (VST) w Obserwatorium Paranal, włoski teleskop Rapid Eye Mount (REM) w należącym do ESO Obserwatorium La Silla, 0,4-metrowy teleskop LCO w Obserwatorium Las Cumbres Observatory oraz amerykański DECcam w Cerro Tololo Inter-American Observatory. Pierwszym, który zaanonsował nowy punkt świetlny, był 1-metrowy teleskop Swope. Punkt pojawił się bardzo blisko NGC 4993, galaktyki soczewkowatej w gwiazdozbiorze Hydry, a obserwacje VISTA wskazały to samo źródło w podczerwieni prawie w tym samym czasie. Gdy noc przemieściła się wokół kuli ziemskiej, teleskopy na Hawajach, Pan-STARRS i Subaru, także dostrzegły to źródło i obserwowały jego gwałtowną ewolucję.

„Okazje, gdy naukowcy mają szanse być świadkami początku nowej ery, są rzadkie” powiedziała Elena Pian, astronom z INAF we Włoszech, pierwsza autorka jednej z publikacji w „Nature”. „To jest właśnie taki moment!”

ESO uruchomiło jedną z największych przeprowadzonych kiedykolwiek kampanii obserwacyjnych typu „target of opportunity”. Wiele teleskopów ESO i instrumentów, w których ESO jest partnerem, obserwowało obiekt przez kolejne tygodnie po detekcji [2]. Należące do ESO: Bardzo Duży Teleskop (VLT), Teleskop Nowej Technologii (NTT), VST, 2,2-metrowy teleskop MPG/ESO i Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) [3] - wszystkie obserwowały zdarzenie i zachodzące po nim efekty w szerokim zakresie długości fali. Na całym świecie zdarzenie obserwowało około 70 obserwatoriów, w tym należący do NASA/ESA Kosmiczny Teleskop Hubble’a.

Oszacowania dystansu, zarówno na podstawie danych dotyczących fal grawitacyjnych, jak i z innych obserwacji, są zgodne, że zdarzenie GW170817 nastąpiło w tej samej odległości, co NGC 4993, około 130 milionów lat świetlnych od Ziemi. Czyni to źródło najbliższym zdarzeniem fal grawitacyjnych spośród wykrytych do tej pory, a także jednym z najbliższych zaobserwowanych rozbłysków gamma [4].

Zmarszczki czasoprzestrzeni, znane jako fale grawitacyjne, są wytwarzane przez poruszające się masy. Jednak tylko najbardziej intensywne, utworzone przez szybkie zmiany prędkości bardzo masywnych obiektów, są w granicach naszych możliwości detekcji. Jednym z takich zjawisk jest połączenie się (merger) gwiazd neutronowych, ekstremalnie gęstych, zapadniętych jąder masywnych gwiazd pozostałych po supernowych [5]. Do tej pory takie mergery były wiodącą hipotezą wyjaśniającą krótkie błyski gamma. Po tego typu zjawisku powinno nastąpić wybuchowe zdarzenie 1000 razy jaśniejsze niż typowa nowa — określane jako kilonowa.

Prawie jednoczesne detekcje zarówno fal grawitacyjnych, jak i promieniowania gamma od GW170817, wzmacniają nadzieje, że obiekt ten rzeczywiście był długo oczekiwaną kilonową, a obserwacje przeprowadzone przy pomocy teleskopów ESO wykazały własności bliskie przewidywaniom teoretycznym. Kilonowe były sugerowane od ponad 30 lat, ale są to pierwsze potwierdzone obserwacje.

Po zlaniu się dwóch gwiazd neutronowych, kilonową opuścił wybuch gwałtownie ekspandujących ciężkich pierwiastków radioaktywnych, poruszający się z prędkością równą jednej piątej prędkości światła. Barwa kilonowej przesunęła się od bardzo niebieskiej do bardzo czerwonej w ciągu kilku dni, co jest zmianą szybszą niż obserwowana w jakimkolwiek innym rodzaju gwiezdnej eksplozji.

„Gdy widmo pojawiło się na naszych ekranach, zrozumiałem, że jest to najbardziej nietypowe przejściowe zjawisko (ang. transient event), jakie widziałem” zaznaczył Stephen Smartt, który prowadził obserwacje przy pomocy należącego do ESO teleskopu NTT, w ramach szerokiego programu obserwacyjnego Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects (ePESSTO). „Nigdy nie widziałem czegoś podobnego. Nasze dane, a także dane od innych grup, dowiodły wszystkim, że nie była to supernowa albo przypadkowa gwiazda zmienna, ale coś zupełnie niezwykłego.”

Widma z ePESSTO i instrumentu X-shooter na VLT sugerują występowanie cezu i telluru wyrzuconych z łączących się gwiazd neutronowych. Te i inne ciężkie pierwiastki, wytworzone podczas połączenia się gwiazd neutronowych, mogły zostać rozwiane w przestrzeń kosmiczną przez kilonową. Opisane obserwacje wskazują, że powstawanie pierwiastków cięższych niż żelazo poprzez reakcje jądrowe w obiektach gwiazdowych o dużych gęstościach może zachodzić w procesie znanym jako proces r nukleosyntezy, co do tej pory było rozważane jedynie teoretycznie.

„Dane, które zebraliśmy do tej pory, są niesamowicie zgodne z teorią. To wielki triumf teoretyków, potwierdzenie, że detekcje LIGO–VIRGO są jak najbardziej realne. To także osiągnięcie ESO, które zgromadziło tak niesamowity zestaw danych dotyczący kilonowej” dodaje Stefano Covino, pierwszy autor publikacji w „Nature Astronomy”.

„Wielką siłą ESO jest to, że posiada szeroki zakres teleskopów i instrumentów, aby móc mierzyć się z wielkimi i złożonymi projektami astronomicznymi w krótkim czasie. Wkroczyliśmy w nową erę astronomii wieloaspektowej!” podsumowuje Andrew Levan, pierwszy autor innej z publikacji.

Uwagi

[1] Detekcja dokonana przez LIGO–Virgo zlokalizowała źródło na obszarze nieba o powierzchni około 35 stopni kwadratowych.

[2] Obserwacje galaktyki były możliwe w sierpniu jedynie wieczorem, a potem znajdowała się na niebie zbyt blisko Słońca, aby móc obserwować ją we wrześniu.

[3] W przypadku VLT, obserwacje wykonywano przy pomocy następujących instrumentów: spektrograf X-shooter znajdujący się na Teleskopie Głównym nr 2 (UT2); FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2) i Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) (NACO) na Teleskopie Głównym nr 1 (UT1); VIsible Multi-Object Spectrograph (VIMOS) i VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared (VISIR) na Teleskopie Głównym nr 3 (UT3) oraz Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) i High Acuity Wide-field K-band Imager (HAWK-I) na Teleskopie Głównym nr 4 (UT4). Teleskop VST obserwował przy pomocy OmegaCAM, a VISTA przy pomocy VISTA InfraRed CAMera (VIRCAM). W ramach programu ePESSTO, teleskop NTT zbierał widma przy pomocy spektrografu ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2 (EFOSC2) oraz widma podczerwone przy pomocy spektrografu Son of ISAAC (SOFI). 2,2-metrowy teleskop MPG/ESO obserwował przy pomocy instrumentu Gamma-Ray burst Optical/Near-infrared Detector (GROND).

[4] Obserwacje były możliwe dzięki względnie małej odległości pomiędzy Ziemią, a mergerem gwiazd neutronowych (130 milionów lat świetlnych), ponieważ połączenie się gwiazd neutronowych wytwarza dużo słabsze fale grawitacyjne niż w przypadku połączenia się czarnych dziur, jak było w przypadku pierwszych czterech detekcji fal grawitacyjnych.

[5] Gdy gwiazdy neutronowe okrążają się nawzajem w układzie podwójnym, tracą energię poprzez emisję fal grawitacyjnych. Zbliżają się do siebie, aż w końcu się zderzą i zleją w jeden obiekt, a część masy takiej gwiezdnej pozostałości jest zamieniana w energię w gwałtownym wybuchu fal grawitacyjnych, tak jak to opisuje słynny wzór Einsteina E=mc².

Więcej informacji

Wyniki badań opublikowano w serii artykułów, które ukazały się w Nature, Nature Astronomy oraz Astrophysical Journal Letters.

Pełna lista członków zespołów badawczych jest dostępna w pliku PDF

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Wspiera je 16 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop ELT (Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop), który stanie się „największym okiem świata na niebo”.

LIGO jest finansowane przez NSF i zarządzane przez Caltech oraz MIT, które opracowały i zrealizowały LIGO i Advanced LIGO. Finansowanie Advanced LIGO było prowadzone przez amerykańską NSF, przy znaczącym wkładzie z Niemiec (Max Planck Society), Wielkiej Brytanii (Science and Technology Facilities Council) oraz Australii (Australian Research Council). W projekcie uczestniczy ponad 1200 naukowców z całego świata, poprzez konsorcjum LIGO Scientific Collaboration, które obejmuje także GEO Collaboration. Inni partnerzy są wymienieni na stronie http://ligo.org/partners.php.

Projekt Virgo to ponad 280 fizyków i inżynierów należących do 20 różnych europejskich grup badawczych: sześć grup z Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) we Francji; osiem z Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) we Włoszech; dwie z Holandii (razem z Nikhef); grupa MTA Wigner RCP na Węgrzech; grupa POLGRAW w Polsce; zespół z hiszpańskiego Uniwersytetu w Walencji oraz European Gravitational Observatory (EGO) nadzorujące detektor Virgo ulokowany niedaleko Pizy we Włoszech, finansowane przez CNRS, INFN i Nikhef.

Linki

• Członkowie zespołu
• FAQ (PDF file, 184 KB)
• Najważniejsze fakty (PDF file, 105 KB)
• Publikacja naukowa nr 1: “Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron star merger”, by E. Pian et al. in Nature. (PDF file, 196 KB)
• Publikacja naukowa nr 2: “The emergence of a lanthanide-rich kilonova following the merger of two neutron stars”, by N. R. Tanvir et al. in Astrophysical Journal Letters (PDF file, 843 KB)
• Publikacja naukowa nr 3: “The electromagnetic counterpart to a gravitational wave source unveils a kilonova”, by S. J. Smartt et al. in Nature (PDF file, 9 MB)
• Publikacja naukowa nr 4: “The unpolarized macronova associated with the gravitational wave event GW170817”, by S. Covino et al. in Nature Astronomy (PDF file, 230 KB)
• Publikacja naukowa nr 5: “The Distance to NGC 4993 — The host galaxy of the gravitational wave event GW17017”, by J. Hjorth et al. in Astrophysical Journal Letters (PDF file, 2.4 MB)
• Publikacja naukowa nr 6: “The environment of the binary neutron star merger GW170817”, by A. J. Levan et al. in Astrophysical Journal Letters (PDF file, 2.6 MB)
• Komunikat prasowy LIGO
• Komunikat prasowy ESA/Hubble
• Pełen nagranie wideo z Konferencji prasowej ESO (16 października 2017 r.)

Kontakt

Stephen Smartt
Queen’s University Belfast
Belfast, United Kingdom
Tel.: +44 7876 014103
E-mail: s.smartt@qub.ac.uk

Elena Pian
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Bologna, Italy
Tel.: +39 051 6398701
E-mail: elena.pian@inaf.it

Andrew Levan
University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Tel.: +44 7714 250373
E-mail: A.J.Levan@warwick.ac.uk

Nial Tanvir
University of Leicester
Leicester, United Kingdom
Tel.: +44 7980 136499
E-mail: nrt3@leicester.ac.uk

Stefano Covino
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Merate, Italy
Tel.: +39 02 72320475
Tel. kom.: +39 331 6748534
E-mail: stefano.covino@brera.inaf.it

Marina Rejkuba
ESO Head of User Support Department
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6453
E-mail: mrejkuba@eso.org

Samaya Nissanke
Radboud University
Nijmegen, The Netherlands
E-mail: samaya@astro.ru.nl

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
Tel. kom.: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych