СТОЛКНОВЕНИЕ НЕЙТРОННЫХ ЗВЁЗД, ГОТОВИВШЕЕСЯ 12 МИЛЛИАРДОВ ЛЕТ

В 2017 году детекторы LIGO и Virgo уловили гравитационные волны от двух нейтронных звёзд, по спирали сближавшихся друг с другом: GW170817. Затем телескопы увидели и сам взрыв — вспышку гамма-излучения и светящуюся килоновую — в галактике NGC 4993. С тех пор было обнаружено второе слияние нейтронных звёзд, GW190425, но его местоположение определено плохо, и никакого света найти не удалось. Поэтому GW170817 остаётся единственным гравитационно-волновым событием, когда-либо привязанным к галактике.

Эта галактика — подсказка. Райан Фоли (Ryan Foley) из Калифорнийского университета в Санта-Крусе задаётся с её помощью вопросом, как долго такие пары ждут, прежде чем слиться, — и находит ответ, который не укладывается в привычную картину.

Время ожидания

Астрономы называют его временем задержки (delay time): это время между рождением звёзд и слиянием. Когда две нейтронные звезды уже сформировались, они медленно теряют орбитальную энергию, излучая гравитационные волны. Время, которое на это уходит, растёт как четвёртая степень расстояния между ними, поэтому пары, рождённые близко, сливаются быстро, а пары, рождённые далеко друг от друга, — поздно.

Для широкого диапазона правдоподобных начальных расстояний это даёт простое правило: число слияний на единицу времени задержки убывает как 1, делённая на задержку. Добавьте минимальную задержку около 10 миллионов лет — и получится каноническое распределение. Его смысл: большинство пар сливаются вскоре после рождения своих звёзд, и лишь немногие ждут миллиарды лет.

Датировка NGC 4993

NGC 4993 — галактика «раннего типа», из класса, который астрономы обозначают S0. Рядом с местом, где сияла килоновая, нет ни звёздного скопления, ни области звездообразования, поэтому пара, скорее всего, сформировалась задолго до слияния где-то в другом месте галактики. Так что в работе смоделированы звёзды всей галактики: измерения в 14 цветах от ультрафиолета до инфракрасного диапазона объединены со спектром, полученным прибором MUSE на Очень большом телескопе (Very Large Telescope).

Подгонка разбивает историю галактики на 20 временных интервалов и позволяет в каждом из них свободно формироваться звёздам. Результат однозначен. Средний возраст её звёзд — 12,4 миллиарда лет (от 11,7 до 12,9 при доверительной вероятности 90%). Звездообразование достигло пика между 12,5 и 13 миллиардами лет назад — 54 массы Солнца новых звёзд в год — и последние 9 миллиардов лет остаётся ниже одной массы Солнца в год. Около 96% массы галактики уже было на месте 10,2 миллиарда лет назад. Оболочки вокруг галактики указывают на небольшое слияние примерно миллиард лет назад, но спектр не показывает никаких признаков молодых звёзд, которые оно могло бы породить.

Значит, задержка GW170817, скорее всего, составила примерно 12 миллиардов лет.

Шанс в 1,8%

Затем этот возраст объединён с космической историей звездообразования, частотой слияний, измеренной коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA, и двумя обнаруженными слияниями.

При каноническом распределении на каждое наблюдаемое сегодня слияние с задержкой в 10 миллиардов лет должно приходиться около 2 с задержкой в 1 миллиард лет и 16 с задержкой в 100 миллионов лет (для одного и того же интервала времён задержки). Шанс, что обнаруженное слияние окажется таким же старым, как GW170817, составляет всего 1,8%. Причина проста: NGC 4993 сформировала половину своих звёзд более 12,6 миллиарда лет назад, тогда как Вселенная в целом к тому времени сформировала лишь 1,1% своих звёзд.

В среднем астрономам понадобилось бы ещё 55 обнаружений, прежде чем ожидать подобное. А между тем самое первое слияние, местоположение которого удалось определить, оказалось именно таким редким случаем.

Что предпочитают данные

Если оставить минимальную задержку свободным параметром, данные отдают предпочтение очень длинной. Распределение, в котором ни одна пара не сливается раньше 12,6 миллиарда лет, предпочтительнее канонического в 40–140 раз — в зависимости от того, как учитывается частота слияний, — и предпочтительнее распределений, выведенных из коротких гамма-всплесков и из двойных нейтронных звёзд Млечного Пути, в 80–280 раз. В одном из вариантов анализа минимальная задержка превышает 7,5 миллиарда лет при доверительной вероятности 90%.

Три выхода

Чтобы каноническая картина уцелела, слияния с короткой задержкой должны «потеряться». Фоли перечисляет три объяснения.

• Пары могли бы рождаться гораздо дальше друг от друга, чем предполагается. Минимальная задержка в 10 миллиардов лет означает, что ни одна пара нейтронных звёзд массой 1,5 массы Солнца не начинает ближе 0,021 астрономической единицы. Фоли считает это маловероятным: это противоречило бы известным двойным нейтронным звёздам и массивным двойным звёздам.
• Детекторы могли пропустить множество слияний. Фоли называет это крайне маловероятным.
• Другой путь образования пар, с долгими задержками, мог бы соперничать с обычным или преобладать над ним.

Фоли отдаёт предпочтение третьему. Самый многообещающий кандидат — плотные звёздные скопления, где пары могут образовываться в результате гравитационных сближений звёзд, с задержками, близкими к возрасту Вселенной. Из примерно 24 двойных нейтронных звёзд, известных в Млечном Пути, одна подтверждённая и три неподтверждённые находятся в шаровых скоплениях — разновидности плотных звёздных скоплений. Но на месте GW170817 никакого скопления не видно, а недавние теоретические работы предсказывают слишком мало слияний в скоплениях: их частота должна была бы оказаться выше ожидаемой.

Отголоски за пределами одного события

Если слияния ждут так долго, они происходят слишком поздно, чтобы обогатить молодую Галактику выковываемыми в них элементами «r-процесса», такими как европий. А поиски света от новых слияний, в которых предпочтение отдаётся галактикам с активным звездообразованием, возможно, нацелены не на самые многообещающие из них. При минимальной задержке в 10 миллиардов лет ни одно такое слияние не могло бы произойти, пока Вселенной не исполнилось 10 миллиардов лет, так что будущие детекторы увидели бы гораздо меньше таких событий на больших расстояниях.

Всё это опирается на два события, лишь одно из которых локализовано. Фоли ожидает, что новые обнаружения сделают картину чётче, и подозревает, что истинное распределение не так просто, как единственный степенной закон с минимальной задержкой.