Astronomové poprvé pozorovali kilonovu. Vznikla splynutím dvou neutronových hvězd, do kosmu chrlila zlato a platinu

Dalekohledy Evropské jižní observatoře (ESO) poprvé pozorovaly optický protějšek zdroje gravitačních vln – splynutí dvou 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.

Video Animace: splynutím dvou neutronových hvězd vznikla kilonova
video

Animace: splynutím dvou neutronových hvězd vznikla 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.

Jak pozorovat gravitační vlny

Dne 17. srpna 2017 se dvojici detektorů LIGO spolupracujících s italským interferometrem Virgo 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 a Integral krátký záblesk záření gama zhruba ve stejné oblasti oblohy.

Video Kilonova v galaxii NGC4993
video

Kilonova v galaxii NGC4993

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 a VST na Paranalu, italský REM, dalekohled LCO se zrcadlem o průměru 0,4 m a americký DECam. Jako první však nový objekt nalezl dalekohled Swope.

Zdroj se nacházel poblíž čočkovité galaxie 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 astronomka Elena Pian z institutu INAF, hlavní autorka jednoho z článků v časopise Nature. „A to se právě stalo!“

Pozoroval celý svět 

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, ESO/NTT, ESO/VST, MPG/ESO i radioteleskop ALMA , 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 Hubble Space Telescope.

Video Materiál ESO k objevu gravitačních vln
video

Materiál ESO k objevu gravitačních vln

Odhad vzdálenosti objektu, který vědci učinili na základě dat o gravitačních vlnách i dalších pozorováních, 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.

Gravitační vlny jsou poruchou prostoročasu 

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 – 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.

Galaxie NGC 4993 v souhvězdí Hydra
Zdroj: ESA

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.

Mozajka snímků galaxie NGC 4993 a kilonovy pořízených dalekohledy ESO
Zdroj: ESA

„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. „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.“

Důkaz vzniku existence prvků 

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, 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 multivlnové astronomie!“ říká Andrew Levan, vedoucí autor dalšího článku.