Dalekohledy ESO pozorovaly optický protějšek zdroje gravitačních vln

ESO 033/17 tisková zpráva

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 Observatory, NSF, 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. 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 [1]. 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 [2]. 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) [3], 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).

Snímek získaný přístrojem VIMOS, který pracuje ve spojení s dalekohledem ESO/VLT na observatoři Paranal v Chile, zachycuje galaxii NGC 4993 vzdálenou asi 130 milionů světelných let. Galaxie sama o sobě není ničím výjimečná, ale odehrál se zde jev, jaký dosud nebyl pozorován – následkem sloučení a exploze dvojice neutronových hvězd zde došlo k explozi kilonovy (jasný bod nahoru a mírně doleva od středu galaxie). Při tomto jevu došlo také ke vzniku gravitačních vln a k záblesku záření gama. Oba tyto doprovodné procesy se podařilo pozorovat – gravitační vlny systémem interferometrických detektorů LIGO-Virgo a gama záblesk družicemi Fermi/INTEGRAL.

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 [4].

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 [5]. Tato splynutí byla dosud považována za nejpravděpodobnější hypotézu vysvětlující existenci krátkých záblesků záření gama. Očekávalo se, že následkem takové události dochází k jevu 1 000krát 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.

Poznámky

[1] Data z detektorů LIGO-Virgo lokalizovala zdroj na ploše oblohy o rozloze asi 35 čtverečních stupňů.

[2] Galaxie byla pozorovatelná v srpnu pouze ve večerních hodinách, od září se již nacházela na obloze příliš blízko Slunce.

[3] Na dalekohledu ESO/VLT byla použita tato technika: spektrograf X-shooter na dalekohledu UT2 (Unit Telescope 2); spektrograf FORS2 (FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2) a systém adaptivní optiky NAOS (Nasmyth Adaptive Optics System) – CONICA (Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph) (NACO) na dalekohledu UT1 (Unit Telescope 1); VIMOS (VIsible Multi-Object Spectrograph) a VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared) na UT3 (Unit Telescope 3); a MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) a HAWK-I (High Acuity Wide-field K-band Imager) na UT4 (Unit Telescope 4). VST pozoroval pomocí OmegaCAM a VISTA InfraRed CAMera (VISTA InfraRed CAMera). V rámci programu ePESSTO pořídil dalekohled NTT spektra ve viditelné oblasti s použitím spektrografu EFOSC2 (ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2) a spektra v  infračervené oblasti pomocí spektrografu SOFI (Son of ISAAC). Dalekohled MPG/ESO (MPG/ESO 2.2-metre telescope) pozoroval optický dosvit gama záblesku pomocí přístroje GROND (Gamma-Ray burst Optical/Near-infrared Detector).

[4] Pozorování umožnila pouze relativně malá vzdálenost (130 milionů světelných let) mezi Zemí a místem splynutí neutronových hvězd. Splynutí neutronových hvězd totiž produkuje výrazně slabší gravitační vlny, než splynutí černých děr (všechny čtyři předchozí detekce byly tohoto typu).

[5] Pokud dvě neutronové hvězdy obíhají kolem sebe ve vázaném páru, ztrácí systém energii vyzařováním gravitačních vln. Hvězdy se přibližují, dokud se nespojí, přitom je část hmoty přeměněna na energii v podobě gravitačních vln podle Einsteinova vztahu E=mc².

Další informace

Výzkum byl prezentován v sérii článků publikovaných ve vědeckých časopisech Nature, Nature Astronomy a Astrophysical Journal Letters.

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace Evropy, která v současnosti provozuje jedny z nejproduktivnějších pozemních astronomických observatoří světa. ESO podporuje celkem 16 zemí: Belgie, Brazílie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a hostící stát Chile. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje Velmi velký dalekohled VLT a také dva další přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem na světě, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko Paranalu v oblasti Cero Armazones staví ESO nový dalekohled ELT (Extremely Large Telescope), který se stane „největším okem hledícím do vesmíru“.

Detektory LIGO financuje NSF a provozují Caltech a MIT, které projekt LIGO vymyslely a stály v  pozadí projektů Initial LIGO a Advanced LIGO. Finanční podporu projektu Advanced LIGO zajišťuje NSF s partnery – německou Max Planck Society, britskou Science and Technology Facilities Council, australskou Australian Research Council, kteří se na projektu významně podíleli. Na projektu spolupracuje na 1 200 vědců z  celého světa v  rámci LIGO Scientific Collaboration, jejímž členem je také GEO Collaboration. Seznam dalších partnerů naleznete v  odkaze http://ligo.org/partners.php.

Na projektu Virgo spolupracuje více než 280 fyziků a inženýrů patřících ke dvaceti evropským výzkumným skupinám: šest z Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Francie); osm z Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Itálie); dva z Nizozemí s Nikhef; MTA Wigner RCP (Maďarsko); skupina POLGRAW (Polsko); University of Valencia (Španělsko) a European Gravitational Observatory (EGO), laboratoř hostící detektor Virgo (nedaleko města Pisa, Itálie), která je financována CNRS, INFN a Nikhef.

Odkazy

• Členové týmu
• Otázky - FAQ (PDF, 184 KB)
• Fakta (PDF file, 105 KB)
• Vědecký článek 1: “Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron star merger”, by E. Pian et al. in Nature. (PDF file, 196 KB)
• Vědecký článek 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)
• Vědecký článek 3: “The electromagnetic counterpart to a gravitational wave source unveils a kilonova”, by S. J. Smartt et al. in Nature (PDF file, 9 MB)
• Vědecký článek 4: “The unpolarized macronova associated with the gravitational wave event GW170817”, by S. Covino et al. in Nature Astronomy (PDF file, 230 KB)
• Vědecký článek 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)
• Vědecký článek 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)
• LIGO tisková zpráva
• ESA/Hubble tisková zpráva
• ESO tisková konference (16. října 2017)

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

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

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

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

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

Stefano Covino; Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF); Merate, Italy; Tel.: +39 02 72320475; Mobil: +39 331 6748534; Email: stefano.covino@brera.inaf.it

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

Richard Hook; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591; Email: rhook@eso.org