Astronomové poprvé detekovali kilonovu, výsledek splynutí dvojice neutronových hvězd

Arzenálu teleskopů ESO v Chile se podařilo detekovat první optický protějšek zdroje gravitačních vln. Pozorování, která vejdou do historie, navíc naznačují, že tento unikátní objekt je výsledkem splynutí dvojice neutronových hvězd a jedná se o dlouho hledaný jev známý jako kilonova. Následkem tohoto typu kataklyzmatického spojení jsou do okolního kosmického prostoru rozptýleny těžké chemické prvky jako zlato nebo platina. Objev, který byl zveřejněn v řadě článků v prestižním vědeckém žurnálu Nature a dalších časopisech, rovněž poskytuje dosud nejsilnější důkazy, že krátké záblesky záření gama způsobuje právě spojení dvou neutronových hvězd.

Díky celosvětovému úsilí a rychlé reakci nejen observatoří ESO, ale i dalších pozemních i kosmických zařízení, se poprvé v historii astronomům podařilo pozorovat gravitační vlny a elektromagnetické záření z téhož zdroje.

Dne 17. srpna 2017 se dvojici detektorů LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave ObservatoryNSF, USA) spolupracující s interferometrem Virgo (Itálie) podařilo zachytit gravitační vlny procházející Zemí. Úkaz dostal označení GW170817 a jedná se celkově o pátou detekci gravitačních vln.

MOHLO BY VÁS ZAJÍMAT:   Pozorování komety při prvním průletu Sluneční soustavou přineslo překvapení

Asi o dvě sekundy později zaznamenaly dvě kosmické laboratoře Fermi (Fermi Gamma-ray Space Telescope, NASA) a INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory, ESA) krátký záblesk záření gama (gamma-ray burst) zhruba ve stejné oblasti oblohy.

Na základě dat z observatoří LIGO-Virgo byla určena hrubá poloha zdroje – na jižní obloze v  rozsáhlé oblasti o ploše asi 35 čtverečních stupňů, do které by se úplněk Měsíce vešel několiksetkrát a kde se nacházejí miliony hvězd. S příchodem noci do Chile se na danou oblast zaměřily některé z  mnoha dalekohledů ESO a začaly pátrat po nových zdrojích.

Do hledání se zapojily: VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, ESO, Paranal), VST (VLT Survey Telescope, ESO Paranal), italský REM (Rapid Eye Mount, ESO, La Silla), dalekohled LCO se zrcadlem o průměru 0,4 m (LCO 0.4-meter telescope, Las Cumbres Observatory) a americký DECam (Cerro Tololo Inter-American Observatory). Jako první však nový objekt nalezl dalekohled Swope (Swope 1-metre telescope).

Zdroj se nacházel poblíž čočkovité galaxie (lenticular galaxy) NGC 4993 v souhvězdí Hydry. Zhruba ve stejném čase ho v  infračerveném oboru pozoroval také přehlídkový dalekohled ESO/VISTA. Jak noc postupovala po zemském povrchu na západ, zapojily se do sledování také teleskopy na Havaji – Pan-STARRS a Subaru, kterým se rovněž podařilo objekt zachytit a zdokumentovat jeho rychlý vývoj.

Jen velmi zřídka může vědec prožít nástup nové éry od samotného počátku,“ říká Elena Pian (astronomka, INAF), hlavní autorka jednoho z článků v časopise Nature. „A to se právě stalo!“

ESO spustila jednu z dosud nejrozsáhlejších pozorovacích kampaní zaměřených na studium mimořádného cíle, které jsou označovány termínem ‚target of opportunity‘. Řada dalekohledů ESO i teleskopy dalších partnerských organizací pozorovaly objekt opakovaně ještě několik týdnů po detekci.

Dalekohledy ESO/VLT (Very Large Telescope), ESO/NTT (New Technology Telescope), ESO/VST, MPG/ESO (MPG/ESO 2.2-metre telescope) i radioteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), všechny sledovaly tento mimořádný úkaz a jeho následky v  celém dostupném pásmu vlnových délek. Do kampaně se zapojilo 70 dalekohledů na  celém světě včetně kosmického teleskopu HST (NASA/ESA Hubble Space Telescope).

Odhad vzdálenosti objektu, který vědci učinili na základě dat o gravitačních vlnách i dalších pozorování, ukázal, že sledovaný úkaz se skutečně odehrál v galaxii NGC 4993 ležící asi 130 milionů světelných let daleko. Jedná se tak o dosud nejbližší zdroj gravitačních vln, který se podařilo identifikovat, ale také o jeden z nejbližších zaznamenaných zdrojů záblesku gama.

Periodické poruchy prostoročasu známé jako gravitační vlny jsou způsobeny specifickými pohyby hmoty. V současnosti je však možné detekovat pouze následky těch nejdivočejších událostí, při kterých dochází k velmi rychlým změnám pohybu mimořádně hmotných těles.

Jedním z  takových jevů je splynutí dvou neutronových hvězd (neutron stars) – extrémně hustých, zkolabovaných jader hmotných hvězd, odhalených při explozi supernovy. Tato splynutí byla dosud považována za nejpravděpodobnější hypotézu vysvětlující existenci krátkých záblesků záření gama. Očekávalo se, že následkem takové události dochází k jevu tisíckrát jasnějšímu než běžná nova, který je označován jako kilonova.

Téměř současná detekce gravitačních vln a záření gama ze zdroje GW170817 dále zvýšila naději, že tento objekt je skutečně dlouho hledanou kilonovou. Pozorování provedená s  pomocí zařízení ESO odhalila vlastnosti, které jsou pozoruhodně blízké předpovědím teoretiků.

Existence kilonov byla navržena již před více než třiceti lety, ale toto je první potvrzené pozorování.

Po splynutí dvou neutronových hvězd opouští místo probíhající kilonovy expandující oblak těžkých radioaktivních prvků, který se pohybuje až pětinou rychlosti světla. Během několika následujících dní se světlo kilonovy změní z modré na temně červenou, a to mnohem rychleji, než je pozorováno u jakékoliv jiné hvězdné exploze.

Když jsem uviděl spektrum, uvědomil jsem si, že je to ten nejneobvyklejší přechodný jev, jaký jsem kdy sledoval,“ poznamenává Stephen Smartt, který vedl pozorování prováděná pomocí dalekohledu ESO/NTT v rámci přehlídkového programu ePESSTO (extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects). Něco takového jsem ještě nespatřil. Naše data, v kombinaci s dalšími pozorováními od jiných skupin, jasně ukázala, že se nejednalo o supernovu ani mezilehlou proměnnou hvězdu, ale něco pozoruhodného.“

Spektra pořízená v rámci programu ePESSTO a pomocí dalekohledu VLT s přístrojem X-shooter naznačila možnou přítomnost cesia a telluria, které byly vyvrženy z oblasti splynutí neutronových hvězd. Tyto a další těžké chemické prvky, vzniklé při splynutí, mohly být odvrženy do okolního prostoru následnými procesy doprovázejícími průběh kilonovy.

Pozorování dokumentují vznik prvků těžších než železo prostřednictvím jaderných reakcí v nitru hvězdných objektů s vysokou hustotou a tento typ nukleogeneze, probíhající prostřednictvím rychlého zachycování neutronů (rapid neutron capture proces, r-process nucleosynthesis), byl dosud čistě teoretickou otázkou.

Data, která zatím máme, jsou v pozoruhodně dobrém souhlasu s teorií. Je to triumf teoretické astrofyziky. Potvrzují, že jevy zachycované detektory LIGO-Virgo jsou bezpochyby skutečné. A jedná se o mimořádný úspěch pro ESO, kterému se podařilo získat působivá data o průběhu kilonovy,“ dodává Stefano Covino, hlavní autor jednoho z článků v Nature.

Je obrovskou předností ESO, že má k dispozici širokou paletu dalekohledů a přístrojů, která umožňuje realizovat rozsáhlé a složité pozorovací projekty v krátkém čase. Vstoupili jsme do nové éry multi-vlnové astronomie!“ říká Andrew Levan, vedoucí autor dalšího článku.

Zdroj: Vědecká tisková zpráva ESO
Foto: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser, NASA and ESA. Acknowledgment: N. Tanvir (U. Leicester), A. Levan (U. Warwick), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)
Video: ESO