Следующая сверхновая в нашей галактике [перевод]
Разнообразие природных явлений столь велико, а скрытые в небесах сокровища столь богаты, что благодаря их количеству человеческий разум никогда не будет нуждаться в подпитке.
— Иоганн Кеплер
Так говорил человек, открывший в 1604 году самую свежую на тот момент сверхновую, находящуюся в нашей Галактике и наблюдаемую в видимом спектре. И хотя, скорее всего, после неё было ещё два взрыва, их не было видно невооружённым глазом, а их остатки были открыты уже при помощи мощных телескопов.
В январе 2012 года была открыта первая в том году сверхновая, в галактике, отстоящей от нас на 25 миллионов световых лет, NGC 3239. Изображённая ниже сверхновая получила имя SN 2012a.
С типичной периодичностью в примерно одну сверхновую в одной галактике за одну сотню лет, становится интересно, что бы мы увидели – и как быстро – если бы сверхновая образовалась в нашей Галактике.
Вспомним, что сверхновая может образоваться одним из двух способов, но оба они включают в себя вышедшую из-под контроля реакцию ядерного синтеза, высвобождающую огромное количества света и энергии. Большая часть энергии, что удивительно, выделяется не в виде света! Давайте заглянем внутрь звезды, которая через несколько секунд должна превратиться в сверхновую.
Кроме встрясок и большой температуры, внутренние реакции производят нейтрино, из которых большая часть не взаимодействует с внешними слоями звезды! С ними взаимодействуют лишь некоторые нейтрино, а также все протоны, нейтроны и электроны, появление которых не происходит моментально. И хотя у взрывной волны проход до внешних слоёв звезды отнимает пару часов, нейтрино проделывают этот путь почти мгновенно!
Это значит, что когда звезда превращается в сверхновую, поток нейтрино возникает до потока света! Мы открыли это при наблюдениях в 1987 году.
Когда сверхновая 1987а взорвалась на расстоянии всего в 168 000 световых годах от нас, это было достаточно близко – и у нас было достаточное количество детекторов нейтрино – чтобы засечь 23 (анти)нейтрино за период в 13 секунд. Самый крупный детектор, Камиоканде-II, содержавший 3 000 тонн воды, засёк 11 антинейтрино.
Сегодня находящийся на его месте детектор Супер Камиоканде-III, содержит 50 000 тонн воды и 11 000 фотоувеличительных трубок. (В мире есть множество других прекрасных детекторов нейтрино, но я остановлюсь на этом для примера).
Его устройство удивительно потому, что он может не только обнаруживать нейтрино, но и определять направление, энергию и точку взаимодействия даже единственного нейтрино, которому повезло провзаимодействовать с любой из частиц в 50 000 тонн воды!
В зависимости от того, в каком месте нашей Галактики появится потенциальная сверхновая, Супер Камиоканде-III должен будет зарегистрировать от нескольких тысяч антинейтрино (в случае взрыва с противоположной стороны Галактики) до более чем десятка миллионов, и всё это за 10 – 15 секунд!
Детекторы нейтрино по всему миру увидят поток нейтрино, одновременно и с одной и той же стороны. В этот момент у нас останется 2-3 часа на определение направления на источник этих нейтрино, и поворот телескопов для попытки визуального наблюдения сверхновой – в первый раз в истории – с самого её начала!
Ближайшая после 1987 года сверхновая была та, что изображена выше, и мы сумели разглядеть её через полдня после взрыва.
В основном благодаря счастливому случаю, мы довольно близко подобрались к интенсивной гиперновой в 2002 году.
И всё равно мы начали наблюдать эту звезду, SN 2002ap, только спустя 3-4 часа после первого взрыва. Если сверхновая, которой предстоит появиться, будет принадлежать к категории Ia – то есть, происходить от белого карлика – у нас нет возможности предсказать, в какой части галактики это произойдёт. Белых карликов слишком много, расположение большинства из них неизвестно и считается, что они разбросаны по всей Галактике.
Если же сверхновая случится у очень массивной звезды с ядром, коллапсирующим под собственной тяжестью, (сверхновая типа II), у нас для этого есть набор неплохих кандидатов и отличных мест для поисков.
Очевидное место – центр Галактики, где взорвалась последняя из известных сверхновых Млечного пути, а также место пребывания самых массивных звёзд, существующих в нашей Галактике. В следующие 100 000 лет там совершенно точно появится множество сверхновых II типа, но у нас нет возможности узнать, когда мы увидим следующую. Разглядывая картинку выше, подумайте о том, что взрывы этих сверхновых уже, скорее всего, произошли, и мы лишь ждём момента, когда нейтрино (а за ними и свет) дойдут до нас!
Но у нас есть кандидаты и поближе галактического центра.
Заглянем в недра огромной туманности, в которой рождаются звёзды, и найдём там самые горячие и молодые звёзды среди всех, что можно встретить во Вселенной. Именно там живут ультрамассивные звёзды – и, в частности, Туманность Орла на фото выше может быть домом для очень недавней сверхновой. Туманность Орла, Туманность Ориона и множество других регионов, заполненных молодыми звёздами, служат прекрасными местами для рождения следующей сверхновой.
А что насчёт отдельных звёзд? Хотя есть множество хороших кандидатов, два из них особенно часто участвуют в наших разговорах.
Эта Киля, находящаяся на самых последних стадиях жизни, может буквально в любой момент стать сверхновой. Или до этого момента могут пройти сотни, тысячи и десятки тысяч лет. Но если мы обнаружим поток антинейтрино, идущих примерно с её позиции в космосе, то именно на неё мы направим свои телескопы в первую очередь!
В отличие от кандидатов, расположенных на расстояниях в тысячи световых лет от нас, есть ещё один, гораздо ближе. Это самый близкий кандидат на сверхновую!
Поздоровайтесь с Бетельгейзе, красным супергигантом в 640 световых годах от нас. Бетельгейзе такой огромный, что его диаметр сравним с орбитой Сатурна! Если Бетельгейзе превратится в сверхновую, наши детекторы нейтрино по всей Земле зарегистрируют порядка сотни миллионов антинейтрино, что в сумме превзойдёт количество всех нейтрино всех типов, когда-либо зарегистрированных за всю историю.
Но если сверхновыми станут не эти известные кандидаты, сможем ли мы сказать, была ли это сверхновая типа Ia или типа II?
Всегда можно подождать. У сверхновых разных типов очень разные световые кривые, и то, как свет затухает после достижения пиковой яркости, покажет нам, какой это был тип сверхновой.
Но в таком удивительном случае я не собираюсь испытывать своё терпение. К счастью, мне это и не будет нужно, поскольку сверхновая в нашей галактике, скорее всего, станет первым регистрируемым наблюдением новейшего типа астрономии: астрономии гравитационных волн!
На гравитационные волны ничего не влияет, и такие волны от взрыва сверхновой должны будут пройти через находящиеся у них на пути звёзды, газ, пыль или материю без нарушений, и прийти одновременно с первой волной (анти)нейтрино! А плюс будет в том, что, согласно нашим лучшим симуляциям ОТО, сверхновые типа II (коллапс ядра) и типа Ia (белый карлик, падающий по спирали) должны будут породить совершенно разные гравитационные волны!
Если это будет сверхновая типа Ia, мы должны будем зарегистрировать три отдельных региона в сигнале:
Фаза спирального падения должна будет произвести периодическую пульсацию, увеличивающую частоту и силу по мере того, как белые карлики достигают финальной стадии разделения. В момент зажигания в сигнале должен произойти всплеск, за которым последует фаза затухания. Очень разные вещи.
Но если у нас будет сверхновая типа II, от сверхмассивной коллапсирующей звезды, мы увидим всего две интересные вещи.
Огромный всплеск – сама сверхновая – через одну десятую секунды после коллапса ядра, за которым следует быстро затухающий (в пределах 0,02 сек) отклик. И если нам нужно будет понять, что мы видели, нам понадобится лишь вот такой говорящий сигнал гравитационных волн.
Вот что мы бы увидели, если бы следующая сверхновая в нашей Галактике взорвалась бы сегодня!
Если вы дочитали статью до конца, то вы действительно любите статьи научной тематики. Я периодически выкладываю различные научные статьи из разных интерет-ресурсов, так что можете подписаться на новые посты :)
Источник: GeekTimes
Гравитационные волны «на пальцах»
В феврале этого года весь мир всколыхнулся после сенсационного открытия ученых обсерватории LIGO, которым удалось обнаружить гравитационные волны. Шумихи вокруг этого долгожданного события (возможность их существования была предсказана уже как минимум 100 лет назад) было столько, что саму суть этого явления уловил не каждый.
Представляем вашему вниманию наш перевод занимательного выпуска передачи Minute Physics, в котором доступным языком и при помощи красочных сравнений объясняется, что же такое гравитационные волны. Приятного просмотра!
Большая улыбка от маленьких фемтометров: LISA Pathfinder превзошла ожидания
Фемтометр — это 10⁻¹⁵ метра. Для наглядности, диаметр протона составляет примерно 1,7 фемтометра. 10⁻¹⁴ м/с² — это одна миллионная от одной миллиардной ускорения свободного падения на Земле. И именно такую точность, минимум в пять раз выше изначально запланированной, показал технологический демонстратор гравитационного телескопа LISA Pathfinder.
Небольшое введение
LISA Pathfinder — это аппарат для проверки возможности очень точного измерения гравитационного воздействия на тестовые массы — два кубика из сплава золота и платины, висящие в пространстве. На кубики, в идеале действует только искривление пространства-времени гравитацией. Зонд вместе со всем оборудованием висит в космосе, не касаясь кубиков, компенсируя двигателями малой тяги давление солнечного ветра и прочие возмущения. Положение кубиков очень точно измеряет специальный лазерный интерферометр. Более подробно конструкция зонда с картинками описана тут.
Планы и результаты
Этот график показывает чувствительность в зависимости от частоты. Аналогия со звуком вполне корректна — сталкивающиеся объекты разной массы будут гравитационно «звучать» на разных частотах, какие-то выше, какие-то ниже. LPF Requirements — расчетные значения чувствительности для LISA Patfinder. LISA Requirements — требования к будущему гравитационному детектору LISA из трех зондов. Линия — одна миллионная от одной миллиардной ускорения свободного падения на Земле.
Уже первое включение 1 марта 2016 года вызвало большие и широкие улыбки на лицах ученых — LISA Pathfinder превзошла по чувствительности расчетные параметры!
В течение месяца зонд настраивали, убирая очевидные технические помехи, и чувствительность стала еще лучше, на высоких частотах оказавшись выше, чем это требуется для полноценного детектора:
Интересно, что за прошедшее время ученые и инженеры поняли источники помех, и оказалось, что, в зависимости от частоты, они вызваны тремя причинами:
В левой части, на низких частотах, мешает сама конструкция аппарата. Работают двигатели, электроника, даже от звездных датчиков, которые фактически являются цифровыми фотоаппаратами без тяжелых движущихся частей, все равно идет шум.
В средней части шум возникает от врезающихся в кубики отдельных молекул. Несмотря на то, что емкость с кубиками открыта в вакуум и давление там практически равно нулю, отдельные молекулы воздуха с Земли еще не успели вылететь наружу, и мешают наблюдениям. К счастью, со временем их остается все меньше, и в этом диапазоне частот точность повышается сама собой:
Красная линия — чувствительнось в мае, она лучше, чем синяя линия апреля
Ну и, наконец, в верхней части шум возникает от интерферометра — в реальности кубики не двигаются, но прибор показывает фантомное движение из-за собственного шума.
С такой точностью детектор LISA сможет увидеть гравитационные события, происходящие за миллиарды световых лет:
Желтая линия на графике — это падение маленькой черной дыры в большую на расстоянии 3 миллиарда световых лет. А столкновение двух галактик с черными дырами в центре LISA сможет увидеть за 12 миллиардов световых лет. Это близко к Большому взрыву. И если благодаря телескопу Хаббл мы можем видеть очень далекие древние галактики, то гравитационная астрономия позволит заглянуть даже в то время, когда Вселенная была непрозрачной (первое время после Большого взрыва вещество во Вселенной было настолько близким друг к другу, что фотоны не могли далеко улететь).
Расчетное столкновение галактик должно быть гораздо «громче», чем чувствительность LISA
Пара интересных фактов
В начале июня ученые из проекта LISA Pathfinder отвечали на вопросы на Reddit, и из тех диалогов мы узнали еще несколько интересных вещей.
Прежде всего, «железо» проекта работает прекрасно, до сих пор работает первый комплект двигателей (на зонде два комплекта).
Давление солнечного ветра на LISA Patfinder составляет 28 микроньютонов.
Причина помехи, дающей пик в правой части графика пока не установлена, но ученые подозревают интерференцию от оборудования. Со временем они хотят собрать телеметрию на другой частоте, чтобы установить точную причину и устранить ее.
Будущее
Несмотря на огромный успех LISA Pathfinder и желание, чтобы гравитационный телескоп всматривался в тайны Вселенной уже сейчас, не стоит забывать, что полноценный детектор из трех аппаратов должен появиться только в 2034 году, а, учитывая постоянное смещение по срокам сложных технических проектов, скорее всего и того позже. Несмотря на успех приборов по измерению гравитационного воздействия еще не все технологии, требуемые для LISA, созданы. Например, мы (человечество) пока не умеем связывать три зонда на расстоянии несколько миллионов километров друг от друга лазерными лучами, чтобы очень точно измерять расстояние и передавать данные.
Источники
Скопипащено отсюда
Дополнительно
Точки либрации (точки Лагранжа) - точки равновесия в межпланетном пространстве
Кроме орбит около различных небесных тел, в межпланетном пространстве существует ещё один вид областей, интересных для вывода туда космических аппаратов. Это так называемые точки либрации (точки Лагранжа).
Что это?
Точки либрации - 5 точек равновесия, существующие в системе из двух массивных тел, где тело с меньшей массой вращается вокруг тела с большей массой. Такими системами, к примеру, являются Солнце-Земля, Земля-Луна, Солнце-Юпитер, Марс-Фобос и так далее.
Если бы движение происходило по строго круговым орбитам, и тела не испытывали никакого внешнего воздействия, то в 5 точках притяжение двух тел уравновешивало бы друг друга, и космический аппарат, помещённый в любую из этих точек, оставался бы в состоянии покоя.
Расположение этих точек указано на рисунке выше. L1, L2 и L3 лежат на прямой, соединяющей тела, треугольные точки L4 и L5 расположены по бокам.
В реальности всё несколько сложнее: планеты вращаются не по круговым, а по эллиптическим орбитам; к тому же, они испытывают гравитационное возмущение от других небесных тел. Поэтому неподвижно зафиксировать космический аппарат в точках либрации не получится, необходимо постоянно поддерживать стабильность его орбиты. Однако поддерживать орбиту вокруг точки либрации не более затратно, чем орбиту вокруг одной из планет. В связи с этим эти точки вызывают интерес у проектировщиков космических миссий.
Зачем они нужны?
Целесообразность вывода космического аппарата на орбиту вокруг точек либрации в случае разных систем разная. Рассмотрим основные, наиболее близкие нам варианты.
Солнце-Земля
Точка L1 в этой системе интересна для постоянного наблюдения за Солнцем. Точка L2, напротив, интересна для наблюдений, которым солнечное излучение только мешает. (ведь в L2 космический аппарат всё время находится в тени Земли)
С точкой L3 связаны легенды об "Антиземле" - планете-двойнике Земли, спрятанной от нас по ту сторону Солнца. Эта область уже фотографировалась космическими аппаратами, кроме залётных астероидов там, конечно же, ничего нет. Однако в будущем, когда мы наконец начнём активно летать по Солнечной системе, оборудовать станцию в L3 будет очень удобно.
Земля-Луна
В этой системе больше всего интересна точка L2, поскольку она находится над обратной стороной Луны. Как известно, около половины лунной поверхности мы никогда с Земли не видим. Когда начнётся активное исследование обратной стороны Луны, это может вызвать значительные трудности для установления постоянной радиосвязи. Для решения этой проблемы предполагается оборудовать в L2 систему ретрансляторов.
Точка L1 является идеальным местом для строительства пилотируемой орбитальной станции, которая могла бы использоваться в процессе освоения нашего спутника.
Существующие проекты
Точки либрации постепенно начинают осваиваться мировыми космическими агентствами. Действующих и планируемых миссий довольно много, перечислю некоторые из них.
1) LISA Pathfinder. После открытия гравитационных волн в обсерватории LIGO, ESA объявила о планах построить в 2034 году в космосе огромный интерферометр, который будет в разы чувствительнее земного аналога. LISA Pathfinder должна протестировать необходимые для этого технологии. Этот аппарат начал свою научную деятельность в марте этого года, располагается он в точке L1 Солнце-Земля.
2) В октябре 2018 к точке L2 системы Солнце-Земля планируется запустить телескоп Джеймс Уэбб - наследника и приемника стремительно устаревающего Хаббла.
3) В 2017 году Россия планирует запустить в эту точку обсерваторию Спектр-РГ. Задачей этого аппарата является обзор всего неба в рентгеновском и гамма-диапазоне с чувствительностью, в 40 раз превышающей чувствительность предыдущего обзора, сделанного спутником ROSAT в 90-е годы.
4) В 2013 году в эту точку (L2 Солнце-Земля) был запущен европейский аппарат Gaia, который занят составлением подробной звёздной карты.
5) SOHO - совместный проект NASA и ESA, запущенный в 1995 году в точку L1 Солнце-Земля. Его основной задачей является изучение Солнца, однако также благодаря ему было открыто 2000 околосолнечных комет. Снимки, сделанные этим аппаратом, доступны всем желающим в Интернете.
«Ферми» указал на источник гравитационных волн
Количество событий, зафиксированных детекторами «Ферми»
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
Космическая обсерватория «Ферми» зафиксировала кратковременный всплеск гамма-излучения, пришедший на Землю спустя 0,4 секунды с момента фиксации гравитационных волн обсерваторией LIGO. Астрофизики предполагают, что эти события связаны — расположение источника вспышки совпадает с предсказаниями коллабораций-первооткрывателей. О находке сообщает препринт, опубликованный на сайте NASA.
Участок неба, откуда, предположительно, пришли гравитационные волны, наблюдался гамма-обсерваторией «Ферми» на протяжении четырех часов до события и семи часов после. В момент регистрации волн (12:50:45.391 MSK) аппарат «видел» лишь 75 процентов интересующего ученых участка, остальная часть была закрыта Землей.
Автоматические системы фиксации гамма-всплесков, установленные на «Ферми», обнаружили лишь два всплеска за шесть часов до и спустя четыре часа после события — по словам ученых, их источниками является магнитосфера Земли. Однако, эти системы реагируют лишь на интенсивные события, поэтому астрофизики провели повторный анализ данных, собранных обсерваторией.
Исследователи детально рассмотрели интервал времени 30 секунд до и после события. Для того, чтобы увидеть слабые всплески, ученые сравнивали фоновый сигнал между 14 детекторами, установленными на «Ферми». В результате удалось обнаружить два дополнительных слабых всплеска, один спустя 0,4 секунды после регистрации гравитационных волн и один спустя 11 секунд. Спектр последнего всплеска оказался мягким, подобная активность часто регистрируется обсерваторией. Вместе с тем, расположение его источника близко к центру Млечного Пути, что не соответствует предсказаниям LIGO/Virgo.
Количество событий, регистрируемых детекторами «Ферми» в данный временной интервал. За ноль принято время регистрации гравитационных волн.
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
Первый сигнал обладал достаточно жестким спектром, а его расположение соответствовало предсказаниям коллабораций. Предположив, что он напрямую связан с гравитационными волнами, ученым удалось втрое точнее указать на местоположение пары черных дыр. Согласно расчетам астрофизиков, слияние черных дыр произошло в созвездии Кита или Рыб. Вероятность «ложной тревоги», иначе говоря, что сигнал является артефактом прибора — 0,22 процента.
Карта плотности вероятности обнаружения источника гравитационных волн в данной точке (только Fermi)
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
Карта плотности вероятности обнаружения источника гравитационных волн в данной точке (только LIGO)
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
Карта плотности вероятности обнаружения источника гравитационных волн в данной точке (LIGO и Fermi)
Изображение: V. Connaughton et al. / NASA / Fermi / aLIGO, 2015
По словам ученых, обнаружение всплеска электромагнитного излучения при слиянии двух черных дыр — необычный факт. Источником такого излучения может быть аккреционный диск, наличие которого астрофизики допускают для бинарных систем сверхмассивных черных дыр. Однако, расчеты LIGO показали, что столкнувшиеся объекты имели массы порядка нескольких масс Солнца — предсказаний для таких двойных систем не существует. Модели, описывающие возникновение таких коротких гамма-всплесков предполагают наличие нейтронной звезды среди сталкивающихся небесных тел.
О первом за историю человечества прямом наблюдении гравитационных волн 11 февраля сообщили коллаборации LIGO и Virgo. Согласно экспериментам, 14 сентября 2015 года сквозь Землю прошли волны флуктуацию пространства-времени, предсказанные Общей Теорией Относительности. Их источником считается слияние двух черных дыр с массами в десятки масс Солнца, произошедшее 1,3 миллиарда лет назад.
ИСЧТОНИК
Друг познается в чате
«Чат на чат» — новое развлекательное шоу RUTUBE. В нем два известных гостя соревнуются, у кого смешнее друзья. Звезды создают групповые чаты с близкими людьми и в каждом раунде присылают им забавные челленджи и задания. Команда, которая окажется креативнее, побеждает.
Реклама ООО «РУФОРМ», ИНН: 7714886605
Гравитационные волны. Наглядно
![Гравитационные волны. Наглядно Физика, Гравитационные волны, Гифка](https://cs4.pikabu.ru/post_img/2016/05/07/8/14626289131883985.jpg)
Визуализация слияния двух черных дыр с испусканием гравитационных волн.