Zaobserwowano pierwsze światło od źródła fal grawitacyjnych

Katastrofalne 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. 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. To jest właśnie taki moment - powiedziała Elena Pian, astronom z INAF we Włoszech, pierwsza autorka jednej z publikacji w "Nature".

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. 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) - 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.

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. 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. 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 - 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).

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 - dodał 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 - podsumował Andrew Levan, pierwszy autor innej z publikacji.