LIGO-observatoriet, hvis skaperne fikk Nobelprisen 2017, har allerede forandret astronomiens verden. Da forskere fra det internasjonale vitenskapelige samfunnet LIGO oppdaget de første gravitasjonsbølgene i 2016, oppdaget de en ny måte å observere universet på. For første gang var forskere i stand til å "lytte" til svingningene i rom-tid som oppsto ved kollisjonen av store gjenstander (for eksempel sorte hull).
Men det var bare begynnelsen. Målet var å kombinere observasjonen av gravitasjonsbølger med data fra mer konvensjonelle teleskoper.
I oktober 2017, i Physical Review Letters, publiserte LIGO-forskerne, som inkluderer flere tusen mennesker rundt om i verden, en serie artikler om den utrolige oppdagelsen. Forskerne klarte ikke bare å oppdage gravitasjonsbølger fra kollisjonen av to nøytronstjerner, men også bestemme deres koordinater på himmelen, samt observere fenomenet gjennom optiske og elektromagnetiske teleskoper.
"Dette er en av de mest komplette historiene om et astrofysisk fenomen som kan tenkes," sier fysiker Peter Solson fra Syracuse University og et medlem av LIGO-samfunnet.
Hver kilde forteller sin egen del av historien
Gravitasjonsbølger forteller fysikere størrelsen og avstanden til objekter, som lar dem gjenskape øyeblikket før de kolliderer. Observasjoner av synlig stråling og elektromagnetiske bølger fyller deretter hullene som tyngdekraftsbølger ikke kan forklare. De hjelper astronomer med å finne ut hva gjenstander ble laget av og hvilke kjemiske elementer som kom fra kollisjonen. I vårt tilfelle var forskere i stand til å konkludere med at eksplosjonen under sammenslåingen av nøytronstjerner førte til utseendet av tunge elementer - gull, platina og uran (som tidligere bare ble antatt, men ikke kunne bekreftes ved direkte observasjon).
Nå har forskere klart å se med sine egne øyne universets alkymi i aksjon. "Jeg tror virkningen av denne oppdagelsen på vitenskapen vil være mer betydelig enn den første oppdagelsen av sorte hull gjennom tyngdekraftsbølger," sier Duncan Brown, en annen forsker fra LIGO-samfunnet og Syracuse University. "Mange aspekter av fysikk og astronomi er involvert her." Og alt dette er resultatet av en skattejakt blant stjernene, der hele verden er involvert.
Salgsfremmende video:
Kjør mot tiden. Sted merket med et kors
Den 17. august klokken 08.41 oppdaget LIGO gravitasjonsbølger - tidens og romets krumning - som gikk gjennom Jorden. LIGO er to L-formede observatorier i de amerikanske delstatene Louisiana og Washington. De kan registrere bølger som komprimerer og strekker romtidskontinuumet.
I løpet av de siste to årene har LIGO vært i stand til å oppdage gravitasjonsbølger generert ved kollisjon av sorte hull. Men signalet 17. august var ganske annerledes. Det viste seg å være mye sterkere enn det som ble registrert da det sorte hullet ble oppdaget. Det nye signalet varte i 100 sekunder, mens signalene fra sorte hull bare noen få. Dette medførte at kollisjonen skjedde mye nærmere Jorden.
Når LIGO oppdager gravitasjonsbølger, sender den automatisk varsler til hundrevis av forskere over hele verden. Duncan Brown er en av dem.”Vi fikk en telefonvarsling veldig raskt og innså at dette var et uventet sterkt signal om tyngdekraftsbølger. Det sjokkerte oss,”minnes han.
Det ble umiddelbart klart at dette ikke var en sammenslåing av sorte hull. Innledende analyse viste at bølgene stammet fra kollisjonen av to nøytronstjerner - objekter med veldig høy tetthet. Det antas at det dannes tunge kjemiske elementer inni dem.
Når LIGO oppdager gravitasjonsbølger fra kolliderende sorte hull, kan ingenting sees på himmelen: sorte hull, som navnet antyder, er mørke. Hva med en kollisjon av to nøytronstjerner? Opptoget skal være som et fargerikt fyrverkeri.
Sarah Wilkinson / Las Campanas observatorium
Og slik skjedde det: to sekunder etter LIGO-signalet oppdaget NASAs Fermi-romteleskop et gammastråle-utbrudd - et av de kraftigste eksplosive energiene i universet som er kjent for oss. I lang tid har astronomer bygget teorier om at sammenslåing av nøytronstjerner kan forårsake gammastråle-utbrudd. Og nå kan det ikke være en tilfeldighet.
Samtidig dimmes lyset fra en slik eksplosiv fusjon raskt. Tellingen fortsatte i minutter, og forskere fra det internasjonale vitenskapelige samfunnet LIGO ble tvunget til å skynde seg. "Jo raskere du kommer til teleskopet, jo mer informasjon får du," sier Brown. Fra å studere lys og hvordan det endrer seg, kan forskere skaffe seg et vell av informasjon som vil hjelpe dem å bedre forstå nøytronstjerner og hvordan de smelter sammen forandringsstoff.
Brown og kollegene begynte å jobbe og arrangerte telekonferanser med dusinvis av forskere over hele verden. LIGO-teamet jobbet med partnere fra VIRGO, et italiensk observasjonsorgan for gravitasjonsbølger, for å arbeide med en fordoblet innsats for å kartlegge himmelen og finne kilden til tyngdekraftsbølgene. De begrenset søket ned til et knyttnærstørrende område på armlengdes avstand. (Fra et astronomisk synspunkt er til og med denne regionen et stort rom. Et område på et kart med et fyrstikkhode på armlengdes avstand kan inneholde tusenvis av galakser.) VIRGO-detektoren i Italia tok ikke opp signalet, noe som var med på å bestemme stjernenes plassering. VIRGO har soner uten mottakelse, derfor skal nøytronstjernene ha vært lokalisert i nærheten av en av dem.
Dette himmelskartet er resultatet av å kombinere informasjon fra Fermi, LIGO, VIRGO og Integral (et annet gammastråleobservatorium). Hver detektor ga et område der et signal kunne oppstå. Der de overlapp, ble stedet markert med et kors på kartet over kosmiske skatter.
Kart i hånden, sendte LIGO-teamet e-post til astronomer over hele verden som kunne utforske denne himmelen når natten falt.
Og flaks passerte dem ikke forbi! Flere bakkebaserte observatorier var i stand til å oppdage posisjonen til kilonet (eller makronen) - en eksplosjon fra kollisjonen av to nøytronstjerner. Bildet til venstre viser hva astronomene fanget på åpningskvelden. Til høyre så det ut noen dager senere. Eksplosjonen nedtonet merkbart.
1M2H / UC Santa Cruz og Carnegie Observatory / Ryan Foley
Slik så galaksen ut et par uker før dannelsen av kilonova (toppbilde). Det nederste bildet viser en eksplosjon.
The Dark Energy Camera GW-EM Collaboration og DES / Berger Collaboration
Bilder kan virke uklar, men det er massevis av informasjon om dem. Med presise koordinater kan forskere stille inn Hubble-romteleskopet og røntgenobservatoriet Chandra Space for å eksplodere en kilonova. Ved hjelp av disse verktøyene vil astronomer kunne se på prosessen med universet med ett øye.
Hvordan kolliderende nøytronstjerner skaper gull
Neutronstjerner er uvanlige kosmiske kropper. De er dannet som et resultat av gravitasjonskollaps av stjerner (for eksempel under supernovaeksplosjoner) og har en veldig høy tetthet. Se for deg et objekt med en masse som solen, men bare 25 kilometer i diameter. Dette er 333 000 masser av hele Jorden, komprimert til en ball omtrent på størrelse med Moskva sentrale distrikt. Trykket inne er så stort at det bare kan finnes nøytroner (protoner smeltet med elektroner) der.
I en galakse 130 millioner lysår unna, "danset" to slike objekter rundt hverandre, beveget seg i bane og kom nærmere og nærmere. De kolliderte, og den frigjorte energien gjennom universet sendte en bølge som forvrenger tid og rom, og en strøm av partikler (en gammastråle-burst som ble oppdaget sammen med gravitasjonsbølger). Både gravitasjonsbølger og gammastråler reiste med lysets hastighet. Dette er et annet bevis på Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Det er mulig at etter sammenslåingen dannet nøytronstjernene et nytt svart hull, siden de hadde tilstrekkelig masse. Det er imidlertid ikke nok informasjon ennå for en entydig uttalelse.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Men en ting kan man allerede si med sikkerhet: etter eksplosjonen kombinerte mange av de gjenværende nøytronene og dannet kjemiske elementer.
Alle av oss og hvert eneste element på jorden er laget av stjerner. Som et resultat av Big Bang i begynnelsen av tiden, ble det dannet veldig lette elementer - hydrogen og helium. Disse elementene kombinerte for å danne stjerner, inne som under fusjonsreaksjoner, elementer med større og større masser dukket opp.
Da stjerner gikk supernova (kollaps og påfølgende eksplosjon) ble det skapt enda tyngre elementer. I følge Brown har imidlertid utseendet på gull og platina lenge vært et mysterium. Selv supernovaeksplosjoner er ikke kraftige nok til å skape dem.
Det har vært teorier om at en kilostjerne (dannet ved sammenslåing av to nøytronstjerner) er i stand til å produsere disse metaller. Og siden astronomene var i stand til å bestemme rett tid hvor fusjonen skjedde, bekreftet de denne teorien. Fargen og kvaliteten på lyset som ble igjen etter eksplosjonen bekreftet dannelsen av gull og platina. Forskere så ut til å ha sett på alkymi i aksjon.
"Gull på jorden ble en gang skapt etter en atomeksplosjon fra en fusjon [av nøytronstjerner]," forklarer Brown. - Nå har jeg en giftering i platina på fingeren. Bare tenk, det dukket opp på grunn av kollisjon av nøytronstjerner!"
En ny epoke innen astronomi kommer
Den beskrevne oppdagelsen markerer begynnelsen på en ny epoke i astronomi. Forskere vil kunne studere himmellegemer ikke bare ved hjelp av lys og stråling som de avgir, men også kombinere disse observasjonene med informasjon innhentet under analysen av gravitasjonsbølger. Denne informasjonen inneholder hvordan de to nøytronstjernene beveget seg rundt hverandre da kollisjonen skjedde, i tillegg til en enorm mengde informasjon om konsekvensene av den.
Til høyre - visualisering av stoffet til nøytronstjerner. Til venstre - forvrengning av romtid nær eksplosjoner. Karan Janey / Georgia Institute of Technology
Kombinasjonen av alle informasjonskilder kalles flerkanals astronomi, det vil si astronomi basert på tillegg av observasjoner av det elektromagnetiske spekteret med gravitasjonsbølgebe observasjoner. Dette har vært drømmen til LIGO-forskere siden observatoriet ble grunnlagt.
«Tenk deg at du bor i et vindu uten rom, og alt du kan gjøre er å høre torden, men ikke se lyn,» forklarer Vicki Kalogera, en astrofysiker ved Northwestern University og medlem av LIGO-samfunnet. - Tenk deg nå at du ble flyttet til et rom med et vindu. Fra nå av hører du ikke bare torden, men også se lyn. Lyn gir en helt ny mulighet til å studere tordenvær og forstå hva som virkelig skjer."
Gravitasjonsbølger er torden. Å observere eksplosjoner gjennom et teleskop - lyn.
For bare en måned siden mottok de tre grunnleggerne av LIGO Nobelprisen i fysikk for sitt banebrytende arbeid. Som Ed Young fra The Atlantic observerte, tildeling av prisen til tre av hundre som har gitt betydelige bidrag til LIGO-prosjektet skaper en vanskelig og kontroversiell situasjon. Nyere resultater viser imidlertid at prisen for vitenskapelig arbeid var vel fortjent.
Det beste med å observere gravitasjonsbølger er at prosessen er passiv. LIGO og VIRGO vil "høre" alle gravitasjonsbølger som går forbi jorden på samme dag. Hvert signal markerer begynnelsen på et nytt søk etter "skatter", fordi forskere trenger å forstå hva som skapte svingningene i rom-tid.
Astronomer håper å se flere sammenslåinger av både sorte hull og nøytronstjerner. Men enda mer interessante fenomener kan oppdages. Hvis observasjonsorganene LIGO og VIRGO fortsetter å forbedre seg, er det en sjanse for at det vil være mulig å oppdage gravitasjonsbølger som er igjen fra Big Bang. Eller, mer spennende, disse observatoriene vil kunne oppdage kilder til gravitasjonsbølger som tidligere var ukjente og ikke kunne forutsi.
"Jeg var trist at jeg ble født etter den første bemannede landingen på månen," sa Thomas Corbitt, fysiker og medlem av LIGO-samfunnet ved Louisina State University. - Men når du blir vitne til hendelser som disse, som tjener som bevis på den store suksessen med felles aktiviteter, dukker det opp inspirasjon. De gir oss mer kunnskap om universet."
Den originale artikkelen på engelsk er tilgjengelig her.
