Килоновая была предсказана больше 30 лет, но о том, что ее точно удалось наблюдать, было объявлено лишь 16 октября 2017 года. В этот день мы узнали, что впервые в истории человечества астрономы зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд!

И если для нашей Вселенной в целом это событие может быть совершенно обыденным, то для землян оно оказалось грандиозным и в какой-то степени послужило началом новой эры в астрономии! Давайте выясним, что же в этом событии особенного.

Термин «килоновая» был предложен Брайаном Мецгером в 2010 году и призван показать, что излучаемая энергия может превосходить в 1000 раз энергию, излучаемую новыми.

Килоновые являются источником сильных гравитационных волн, а также источником сильного электромагнитного излучения. Во время слияния двух компактных звёзд происходит синтез тяжёлых ионов в результате r-процесса (захват ядрами нейтронов). Килоновые являются одним из основных источников происхождения элементов тяжелее железа.

Первая килоновая была обнаружена как короткий гамма-всплеск SGRB 130603B инструментами на борту космических аппаратов Swift и KONUS/WIND и затем наблюдалась космическим телескопом «Хаббл».

Гравитационные волны от другой килоновой впервые были детектированы 17 августа 2017 года, гравитационными обсерваториями LIGO и Virgo (GW170817). В той же области неба было зарегистрировано гамма-излучение (GRB 170817A, SSS17a) космическими телескопами Ферми (GLAST Fermi) и INTEGRAL. Килоновая находится в галактике NGC 4993 в созвездии Гидры. Удалось пронаблюдать вспышку в течение нескольких недель, построить кривую блеска, получить спектры, узнать какие элементы образовались при взрыве.

Килоно́вая (англ. kilonova; макроновая, англ. macronova), яркая вспышка космического электромагнитного излучения в диапазонах от ультрафиолетового (УФ) до ближнего инфракрасного (ИК) со светимостью в максимуме, в тысячу раз превосходящей светимость классической новой звезды. Термин «килоновая» был предложен в 2010 г. в статье американского астрофизика Б. Мецгера и др. (Metzger. 2010), хотя сам процесс, лежащий в основе их возникновения, был впервые рассмотрен ещё в начале 1970-х гг.

Некоторые тесные двойные системы, состоящие из двух нейтронных звёзд или из нейтронной звезды и чёрной дыры, сливаются за время, меньшее возраста Вселенной. Результатом такого слияния может быть запуск релятивистского джета и короткий гамма-всплеск.

Другим наблюдательным следствием слияния может быть возникновение килоновой вследствие радиоактивного распада нестабильных изотопов, которые синтезируются в насыщенном свободными нейтронами веществе, выброшенном из нейтронной звезды в процессе слияния. Длительность вспышки растёт с увеличением длины волны: в УФ-диапазоне килоновая ярко светит в течение времени порядка суток, а в ближнем ИК-диапазоне – до нескольких недель.

Первое наблюдение этого явления состоялось в 2013 г., когда космический телескоп «Хаббл» зарегистрировал быстро затухающий транзиент (временный источник излучения) в оптическом и ближнем ИК-диапазоне, образовавшийся на месте короткого гамма-всплеска GRB 130603B. Наиболее хорошо изучена килоновая, образовавшаяся в результате слияния двух нейтронных звёзд на расстоянии около 40 мегапарсек от Земли, которое было источником гравитационно-волнового сигнала GW170817 и короткого гамма-всплеска GRB 170817A, наблюдавшихся в 2017 г. Наблюдения этого транзиента в различных диапазонах электромагнитного спектра помогли значительно улучшить модели эволюции килоновой.

Ядерный синтез в килоновых протекает путём быстрых процессов захвата нейтронов (r-процессов): в сверхнасыщенной нейтронами среде промежутки между столкновениями их с ядрами настолько малы, что образующиеся неустойчивые ядра не успевают распасться и массовые числа образующихся ядер быстро растут. Также эти процессы происходят при коллапсе ядер массивных звёзд во время взрыва сверхновых звёзд Ib, Ic, II типов. Суммарно около половины атомов тяжелее железа во Вселенной образуется в результате r-процессов, причём современные данные указывают на то, что именно килоновые вносят в это основной вклад.

Астрономы обнаружили, что взрыв, сопровождающий столкновение двух нейтронных звезд, имеет сферическую форму. Это открытие поможет понять фундаментальную физику процессов, которые происходят в космосе, и даже уточнить возраст Вселенной.

Когда две нейтронные звезды вращаются вокруг друг друга и потом сталкиваются, происходят гигантские взрывы – килоновые. В результате реакций, сопровождающих эти события, появляются тяжелые химические элементы и, например, черные дыры. Долгое время килоновые оставались загадкой.

Впервые ученые смогли получить данные о них лишь в 2017 году, когда взрыв килоновой был зафиксирован на расстоянии 140 миллионов световых лет от нас. До сих пор ученые продолжают исследовать это событие.

Ранее исследователи считали, что взрыв килоновой должен быть асимметричным и иметь сплющенную форму. Однако на деле все совсем не так. Взрыв килоновой 2017 года имеет почти идеальную форму шара. Ученые утверждают, что это очень странно.«Наиболее вероятный способ сделать взрыв сферическим – это если огромное количество энергии вырывается из центра взрыва и сглаживает форму, которая в противном случае была бы асимметричной. Таким образом, сферическая форма говорит нам о том, что, вероятно, в центре столкновения случился мощнейший выброс энергии», – рассказал Альберт Снеппен из Института Нильса Бора.

Когда две нейтронные звезды сталкиваются, они ненадолго объединяются в одну сверхмассивную нейтронную звезду. А потом она коллапсирует в черную дыру. «Возможно, своего рода "магнитная бомба" создается в тот момент, когда звезда коллапсирует в черную дыру и энергия огромного магнитного поля гипермассивной нейтронной звезды высвобождается. Это может привести к более сферическому распределению вещества при взрыве», – отметил Дарах Уотсон из Института Нильса Бора.

Однако это предположение упускает другой аспект открытия исследователей. Все сверхтяжелые элементы, которые производит килоновая, должны разлетаться в разных направлениях. Только вот ученые обнаружили лишь более легкие элементы, равномерно распределенные в пространстве.

Вероятно, дело в нейтрино. Об этой загадочной элементарной частице ученым еще многое неизвестно, но одно они знают точно: она может превращать нейтроны в протоны и электроны и, следовательно, создавать более легкие элементы.

Кроме того, форму килоновых необходимо знать и потому, что с ее помощью можно понять возраст Вселенной. Такие взрывы могут представлять из себя новую космическую линейку: если они яркие и в основном сферические и мы знаем расстояние, на котором они находятся от нас, то с помощью «лестницы космических расстояний» можно узнать скорость расширения Вселенной, что позволит понять ее возраст.

При этом форма килоновых играет здесь очень важную роль, ведь излучение несферического объекта при разных углах будет разным. Это сильно исказит расчеты.Исследователи надеются, что в будущем получат данные от большего количества килоновых – например, с помощью обсерватории LIGO.

По мнению ученых, теперь мы сможем понять, как быстро расширяется Вселенная, и установить ее возраст.

Основной способ измерения времени с момента Большого взрыва (конечно, если он был) – это шкала космических расстояний. Установив класс светимости некоторых астрономических объектов ("стандартных свечей"), физики измеряют их видимую яркость и рассчитывают дистанцию. Чем дальше объект от нас, тем он старше.

Самые далекие небесные тела видны только в инфракрасном диапазоне. ИК-обсерватория "Джеймс Уэбб" способна заглянуть почти к началу времен и увидеть галактики, существовавшие 13,5 миллиарда лет назад. Возраст Вселенной оценивается в 13,8 миллиарда.

Однако этот способ хорош лишь для сферических объектов, излучающих во все стороны. Тела другой формы меняют яркость в зависимости от того, под каким углом мы на них смотрим.

Но раз мы знаем, что килоновые похожи на мяч, их также можно использовать для измерений. Правда, для выстраивания шкалы нужно увидеть много подобных событий. Ученые ожидают, что детекторы LIGO позволят человечеству сделать это в ближайшие годы.

Пока что данные хорошо согласуются с теорией. Это можно считать триумфом теоретиков и подтверждением абсолютной реальности событий, зарегистрированных установками LIGO–VIRGO. Это и замечательное достижение ESO, которой удалось выполнить подробные наблюдения килоновой. Результаты исследований представлены в шести статьях, публикуемых в журналах Nature, Nature Astronomy и Astrophysical Journal Letters.

Международная группа астрономов из США и Новой Зеландии описала чрезвычайно редкий тип звездной системы, у которой есть все задатки в будущем стать сверхсильной килоновой.

Необычная звездная система CPD-29 2176, состоящая из двойной звезды, расположена примерно в 11400 световых годах от Земли. Изучив ее с помощью полутораметрового телескопа SMARTS, находящегося в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили, международная группа астрономов выявила, что обе компоненты этой системы крайне необычны. Одна из них – нейтронная звезда, образовавшаяся в результате вспышки сверхновой, а вторая – массивная звезда, обращающаяся вокруг первой по сверхблизкой круглой орбите (полный оборот она совершает всего за пару земных месяцев).

Конечной стадией эволюции этой звездной системы может стать вспышка килоновой, при которой две нейтронные звезды сольются вместе, породив сверхмощный взрыв, во время которого образуются атомы тяжелых металлов, например золота и серебра. По оценкам исследователей, во всем Млечном Пути существует не больше дюжины таких систем, и CPD-29 2176 – первая зафиксированная в земной телескоп.

Сложность в образовании килоновой – необходимость умеренного взрыва обеих звезд – предшественниц нейтронных: если вспышка сверхновой окажется слишком мощной, вторую звезду просто столкнет с орбиты, после чего слияния двух нейтронных звезд не произойдет. Неудивительно, что килоновые встречаются настолько редко: лишь одна из десяти миллиардов звездных систем может породить такой невероятный взрыв.

Правда, какой бы ни была судьба CPD-29 2176, наблюдать конечные этапы ее эволюции будут астрономы будущего, и не факт, что это будут люди: потребуется не меньше миллиона лет, чтобы вторая звезда вспыхнула сверхновой. Однако изучение подобных звезд позволяет астрономам лучше понять, как формируются килоновые, взрывы которых порождают атомы самых тяжелых элементов в нашей Вселенной.

Идентификация звезд в составе CPD-29 2176 вывела разговоры о килоновых из области чистых теорий. Теперь ученые планируют продолжить наблюдения за двойной системой в надежде построить достаточно точную модель, которая предскажет ее дальнейшую судьбу.

Если две плотных нейтронных звезды столкнулись бы относительно близко к Земле, получившаяся в результате этого килоновая сияла бы днем и ночью с яркостью Луны, сжатой в маленькую точку. «Ночью это была бы самая яркая точка на небе», говорит физик Имре Бартос из Университета Флориды в Гейнсвилле, который описал, как будет выглядеть этот яркий взрыв, в исследовании.

Первый такой всплеск света и энергетических частиц, увиденный в реальном времени, попался в фокус в 2017 году, после того, как физики обнаружили гравитационные волны от столкновения нейтронной звезды. Это открытие, которое произошло в 130 миллионах световых лет от нас и было видно только в телескопы, доказало, что килоновы опрыскивают Вселенную тяжелыми элементами: золотом, серебром, платиной и ураном.

Хотя маловероятно, что килоновая появится поблизости в ближайшее время, одна из них появилась на расстоянии около 1000 световых лет от того места, где сейчас находится Земля. Правда, это было за 80 миллионов лет до того, как сформировалась Солнечная система. Это событие населило Солнечную систему элементами, из которых сегодня состоят наши планеты.

«Мы хотели визуализировать, что означает это расстояние», говорит Бартос. Они изменили спектр света, испускаемый килоновой 2017 года, так, как если бы она появилась всего в 1000 световых лет от нас. Сперва она была бы голубоватого цвета, но становилась бы красной в течение нескольких дней – осколки килоновой звезды проявили бы затухающие голубоватые волны света. Примерно через неделю килоновой не станет.

По оценкам астрофизиков, килоновая рождается настолько близко к Земле всего раз в 100 миллионов лет. Поэтому вряд ли мы увидим такую. Но некоторые из них могли появиться за 4,5 миллиарда лет земной истории. И тогда для всего живого на планете приходила смерть. Если бы килоновая – вроде килоновой 2017 года – выпустила гамма-лучевой всплеск в сторону Земли, этот поток частиц высокой энергии уничтожил бы жизнь на Земле.