Krusningene i romtiden, skapt av en stjernekatastrofe i en fjern galakse, hjelper til med å forklare gullets kosmiske opprinnelse og kartlegge en kurs for en ny æra innen astronomi, og observere det elektromagnetiske spekteret og gravitasjonsbølgene.
Begynnelsen på en ny æra innen astronomi og fysikk ble mandag kunngjort av forskere at de først hadde oppdaget krusninger i romtiden, kjent som gravitasjonsbølger, som ble dannet av kollisjonen mellom to nøytronstjerner. 17. august nådde disse bølgene fra verdensrommet jorden i Indiahavet og ble registrert av to detektorstasjoner fra American Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) og den europeiske jomfru-detektoren i Italia.
Dette er femte gang de siste to årene at forskere registrerer slike bølger. Einstein var den første som forutsa dette fenomenet, etter å ha gjort det for mer enn 100 år siden. Og i år mottok tre ledere av LIGO Nobelprisen i fysikk for funn innen gravitasjonsbølger.
Imidlertid stammer alle tidligere observerte gravitasjonsbølger fra sammenslåing av sorte hull. Disse svarte hullene er så tette at de ikke frigjør lys. Derfor er en slik sammenslåing av sorte hull i det vesentlige umulig å oppdage med konvensjonelle teleskoper, til tross for de utrolig kraftige gravitasjonsbølgene de genererer i de siste øyeblikkene av sin hektiske dødsspiral. Uten et større nettverk av gravitasjonsbølgeobservatorier klarer astronomer ikke å finne den nøyaktige plasseringen av de sammenslåtte svarte hullene, langt mindre studere og analysere dem i dybden.
Sammenslåing av nøytronstjerner begynner imidlertid med gjenstander som kan være veldig lette sammenlignet med sorte hull. En nøytronstjerne er den høyt komprimerte kjernen til en utløpt massiv stjerne, og den dannes etter en supernovaeksplosjon. Gravitasjonsfeltet er sterkt nok til å presse og ødelegge materie så stor som hele solen, og gjøre den til en sfære av nøytroner på størrelse med en stor by. Dermed er det ikke en stjerne i vanlig forstand, men snarere en kjerne av et atom på størrelse med Manhattan. Imidlertid er gravitasjonskraften til en nøytronstjerne fortsatt for liten til å holde lys, og derfor kan et blits fra kollisjonen til to slike stjerner trenge inn i rommet og skape ikke bare gravitasjonsbølger, men også et av de lyseste fyrverkeriene i universet som alle kan se.
I dette tilfellet, da den første pulsen av gravitasjonsbølger signaliserte starten på fusjonen, besto fyrverkeriet av en burst av gammastråling to sekunder lang og etterglød av forskjellige bølgelengder som varte i flere uker. Nesten alle astronomer og fysikere på planeten vår som visste om denne hendelsen, var blant "alle som vil". Prosjektforsker Julie McEnery, som jobbet med Fermi gammastråle-teleskop, som registrerte et utbrudd av gammastråler, kalte 17. august "den flotteste morgenen i alle ni år av teleskopet."
Astronomer som jobber med fysikere på LIGO og Jomfru-teleskopet har avlagt hemmeligholds ed. Imidlertid førte det enorme antallet observasjoner over hele verden uunngåelig til spredning av rykter, som nå er bekreftet. Dette er en verdensomspennende kampanje for å overvåke kollisjonen og dens ettervirkninger. Utbruddet av nye observasjoner og fremveksten av nye teorier etter kollisjonen er det mest slående eksemplet på gravitasjonsbølge-astronomi. Det er en ny gren av vitenskapen som samler inn data og studerer lys, gravitasjonsbølger og subatomære partikler fra astrofysiske katastrofer.
Kampanjevideo:
Samtidig ble det publisert et stort antall artikler i flere vitenskapelige tidsskrifter, hvor forfatterne koblet nylige hendelser med et bredt spekter av fenomener og foreslo nye ideer på en rekke områder, fra grunnleggende kjernefysikk til evolusjonen av universet. Denne sammenslåingen ga blant annet observatører muligheten til å spore opprinnelsen til et svart hull, som kunne ha dannet seg i kollisjonen med nøytronstjerner. Men en oppdagelse er bokstavelig talt strålende. Dette er overbevisende bevis på at sammenslåingen av nøytronstjerner er en kosmisk smeltedigel hvor de tunge elementene i vårt univers, inkludert uran, platina og gull, dukker opp.
Så det sier mye om det faktum at det radioaktive materialet i en atomreaktor, katalysatoren i bilen din og det edle metallet i gifteringen din er resultatet av kollisjonen til de minste, tetteste og mest eksotiske stjernene i vårt univers, eller i det minste den delen av dem som kan rømme fra de svarte hullene som dannes som et resultat av sammenslåingen. Denne oppdagelsen vil bidra til å løse den pågående debatten om den kosmiske opprinnelsen til tunge elementer, som teoretikere har vært engasjert i mer enn et halvt århundre. Det meste av hydrogen og helium i universet vårt dukket opp i de første øyeblikkene etter big bang. Og de fleste av de lette elementene, som oksygen, karbon, nitrogen og så videre, ble dannet av kjernefusjon i stjerner. Men spørsmålet om opprinnelsen til de tyngste elementene er ennå ikke besvart.
“Vi snublet over en gullgruve! sier Laura Cadonati, astrofysiker ved Georgia Institute of Technology og LIGOs assisterende pressesekretær. - Faktisk oppdaget vi gravitasjonsbølgen og det elektromagnetiske fenomenet som en enkelt astrofysisk hendelse. Gravitasjonsbølger forteller oss historien om det som skjedde før katastrofen. Elektromagnetisk stråling forteller om hva som skjedde etter. " Selv om dette ikke er endelige konklusjoner, sier Kadonati, vil analysen av gravitasjonsbølgene til dette fenomenet over tid bidra til å avsløre detaljene om hvordan materie "sprutes" inne i nøytronstjerner når de smelter sammen, og forskere vil få nye muligheter til å studere disse rare objektene, samt finne ut hvilken størrelse de kan nå før de kollapser og blir et svart hull. Kadonati bemerker også at det var en slags mystisk forsinkelse på et par sekunder mellom slutten av gravitasjonsbølgen og begynnelsen av gammastrålingen. Kanskje dette er den perioden da den strukturelle integriteten til sammenslåing av nøytronstjerner i en kort periode motsto det uunngåelige sammenbruddet.
Mange forskere har lenge ventet på denne gjennombruddsoppdagelsen. "Drømmene mine har gått i oppfyllelse," sier astrofysiker Szabolcs Marka ved Columbia University og en del av LIGO-forskerteamet. På slutten av nittitallet ble denne mannen en tilhenger av gravitasjonsbølge-astronomi, supplert med observasjoner av det elektromagnetiske spekteret. I de årene, minnes Mark, ble han ansett som en galmann som prøvde å forberede seg på fremtidige observasjoner av gravitasjonsbølger, selv om det fortsatt var flere tiår før den direkte oppdagelsen av dette fenomenet. “Nå føler jeg og mine kolleger hevnet,” sier han. “Vi studerte dette systemet med kolliderende nøytronstjerner i et veldig variert sett med signaler. Vi så det i gravitasjonsbølger, i gammastråler, i ultrafiolett lys, i synlig og infrarødt lys,så vel som i røntgen og radiobølger. Dette er revolusjonen og evolusjonen i astronomi som jeg hadde håpet på for 20 år siden."
Direktøren for National Science Foundation (det føderale byrået som yter mesteparten av LIGOs finansiering), Frankrike Córdova, sa at den siste prestasjonen var et "historisk øyeblikk innen vitenskapen" og at det ble muliggjort av den vedvarende og langvarige regjeringsstøtten fra mange astrofysiske observatorier. … “Oppdagelsen av gravitasjonsbølger, fra det første korte vibroseismiske signalet som ble hørt over hele verden til det siste, lengre signalet, rettferdiggjør ikke bare den risikable, men givende investeringen fra National Science Foundation, men presser oss gjøre mer i den retningen, sier Cordova. - Jeg håper NSF vil fortsette å støtte innovatører og innovasjoner,som vil forvandle vår kunnskap og inspirere generasjoner som kommer."
For en flott mulighet
Da de første gravitasjonsbølgene fra fusjonen ble oppdaget, etterfulgt av gammastråler (umiddelbart oppdaget av forskere som brukte Fermi-teleskopet og INTEGRAL romteleskop), begynte et løp å finne ut hva som var kilden til kollisjonen i rommet, samt etterglødet. Svært raskt målrettet mange forskergrupper sine eksisterende teleskoper mot den delen av himmelen der, ifølge beregningene fra forskerne med LIGO og Jomfruen, skulle kilden ha vært. Det var et stykke himmel som strekker seg over 31 kvadratgrader og inneholder hundrevis av galakser. (Hvis bare LIGO-observatoriet ble brukt, sa Kadonati, at disse observasjonene ville være lik å lete etter den gylne ringen som lå på bunnen av Stillehavet. Men med det tredje datapunktet fra Jomfruen, sier hun, var forskerne i stand til å beregne kildens beliggenhet.og som et resultat ble observasjonene mer som "å lete etter den gyldne ringen i Middelhavet.")
Hoveddelen av observasjonene ble utført av forskere i chilenske observatorier. De begynte arbeidet sitt umiddelbart etter solnedgang, da den ønskede delen av himmelen kom ut av horisonten. Ulike team av forskere har brukt et bredt utvalg av søkestrategier. Noen utførte ganske enkelt kontinuerlig observasjon av en del av himmelen og beveget seg metodisk fra den ene siden til den andre; noen siktet seg mot galakser der nøytronstjerner mest sannsynlig ville slå seg sammen. Til slutt viste den andre strategien seg å være en vinnende.
Den første som så den optiske etterglød var en doktorgradsstudent og forsker ved University of California, Santa Cruz, Charles Kilpatrick. Han satt ved skrivebordet sitt på kontoret og så gjennom bilder av noen galakser, etter å ha mottatt et oppdrag fra en av sine astronomer Ryan Foley, som var med på å organisere prosjektet. Det niende bildet han begynte å studere var et fotografi, raskt tatt og delt av kolleger på den andre siden av verden som jobbet med det enorme Swope-teleskopet ved Las Campanas observatorium i Chile. Det var på den han så hva alle lette etter: et lyseblått punkt i sentrum av en gigantisk elliptisk galakse, som er en klynge av gamle røde stjerner 10 milliarder år gamle, som befant seg 120 millioner lysår unna. De var alle navnløsebortsett fra betegnelsene i katalogene. Det antas at det er i slike galakser at sammensmelting av nøytronstjerner oftest forekommer, siden de er gamle, har stjernene deres høy tetthet, og det er ganske mange unge stjerner i slike galakser. Sammenlignet dette bildet med tidligere bilder av den samme galaksen, så ikke Kilpatrick et slikt poeng på dem. Det var noe nytt, nylig. "Det gikk sakte opp for meg hvilket historisk øyeblikk dette var," husker Kilpatrick. "Men den gangen var jeg fokusert på oppgaven min, og prøvde å jobbe så raskt som mulig."Sammenlignet dette bildet med tidligere bilder av den samme galaksen, så ikke Kilpatrick et slikt poeng på dem. Det var noe nytt, akkurat nylig. "Det gikk sakte opp for meg hvilket historisk øyeblikk dette var," husker Kilpatrick. "Men på den tiden var jeg fokusert på oppgaven min, og prøvde å jobbe så raskt som mulig."Sammenlignet dette bildet med tidligere bilder av den samme galaksen, så ikke Kilpatrick et slikt poeng på dem. Det var noe nytt, nylig. "Det gikk sakte opp for meg hvilket historisk øyeblikk dette er," husker Kilpatrick. "Men på den tiden var jeg fokusert på oppgaven min, og prøvde å jobbe så raskt som mulig."
Kilpatrick delte synet med andre medlemmer av teamet hans, inkludert Carnegie-astronomen Josh Simon, som raskt fanget et bekreftelsesbilde med et av Chiles største Magellan-teleskoper, seks og en halv meter i diameter. Den blå prikken var også til stede i disse bildene. I en time målte Simon spekteret av dette punktet, det vil si de forskjellige fargene på lyset det sendte ut. Han gjorde det i parvise skudd med en lukkertid på fem minutter. Simon mente at slike spektrale bilder ville vise seg å være nyttige for videre forskning. Og hvis ikke, så vil de uansett kunne bevise at dette ikke bare er en vanlig supernova eller en annen kosmisk bedrager. I mellomtiden la også andre forskergrupper merke til dette poenget og begynte å studere det. Men Foleys team var raskere enn andre med å finne bekreftelse og utføre spektralanalyse, og sikret ledelsen i denne oppdagelsen. "Vi var de første som fikk bildet, og vi var de første som identifiserte kilden til det bildet," sier Simon. “Og siden vi fikk både første og andre veldig raskt, klarte vi å gjøre den første spektralanalysen av denne sammenslåingen, som ingen i Chile kunne gjøre den kvelden. Etter det kunngjorde vi oppdagelsen til hele det vitenskapelige samfunnet. "Etter det kunngjorde vi oppdagelsen til hele det vitenskapelige samfunnet. "Etter det kunngjorde vi oppdagelsen til hele det vitenskapelige samfunnet."
Disse første spektrale observasjonene viste seg å være ekstremt viktige for den påfølgende analysen og løsningen av noen mysterier. De viste at restene av fusjonen raskt avkjøles og mister sitt knallblå lys, som blir til en dyp rubin. Disse dataene ble sjekket og bekreftet i løpet av observasjonene i de påfølgende ukene, mens det synlige punktet bleknet og bleknet bort, og dets etterglød skiftet, og det sterke lyset passerte inn i det infrarøde området av spektret med en lengre bølgelengde. De generelle mønstrene for farge, avkjøling og utvidelse var veldig like det mange teoretikere, som jobbet uavhengig av hverandre, tidligere hadde spådd. Først og fremst er disse Brian Metzger fra Columbia University og Dan Kasen fra University of California, Berkeley.
Kort fortalt, forklarer Metzger, hva astronomene så etter denne sammenslåingen, kunne kalles "kilonova". Det er en intens lysutbrudd produsert ved frigjøring og påfølgende radioaktivt forfall av hvitvarmt, nøytronrikt materiale fra en nøytronstjerne. Når dette materialet utvides og avkjøles, blir de fleste av nøytronene fanget opp av kjernene av jern og andre tunge elementer som er igjen som aske fra supernovaeksplosjonen og dannelsen av en nøytronstjerne. “Dette fører til at det skapes enda tyngre elementer innen omtrent ett sekund, når de utkastede partiklene fanger opp disse nøytronene og ekspanderer i rommet. En av disse sammenslåingene danner den nedre halvdelen av det periodiske systemet, nemlig gull, platina, uran og så videre, sier Metzger. På siste trinn skifter lyset fra kilonovaen skarpt til den infrarøde sonen, når nøytroner som faller ut av utkastet, danner de tyngste elementene som absorberer synlig lys veldig effektivt.
Måling av spektrale endringer i kilonovakroppen lar i sin tur astronomer bestemme antall forskjellige elementer som dannes under fusjonsprosessen. Edo Berger, som studerer kilonovae ved Smithsonian Center for Astrophysics og ledet mange og de mest ambisiøse observasjonene av denne sammenslåingen, sier at hendelsen produserte tunge elementer, som veide 16.000 jordmasser. "Det hele er der: gull, platina, uran og andre, rareste elementer som vi kjenner som bokstaver på det periodiske bordet, selv om vi ikke vet navnene deres," sier han. "Når det gjelder oppløsningen, er det nøyaktige svaret på dette spørsmålet fortsatt ukjent for oss."
Noen teoretikere antyder at mengden gull som dannes som et resultat av sammenslåingen bare er noen tiendedeler av jordens masse. Metzger mener på sin side at dette tallet er lik rundt 100 jordmasser. Ifølge ham ble platina dannet tre ganger mer enn jordens masse, og uran - 10 ganger mindre. I alle fall, hvis vi sammenligner de nye statistiske estimatene av frekvensen av slike sammenslåinger, basert på de siste målingene, så får vi et ganske stort antall slike hendelser. "Det er nok av dem til å danne og samle elementene som danner vårt eget solsystem og de forskjellige stjernene vi ser," sier Metzger. “Basert på det vi har sett, kan disse fusjonene forklares i detalj. Det er sannsynligvis andre måter å danne tunge elementer på, men det ser ut til atat vi ikke trenger dem. " Ifølge ham er det bare en sammenslåing av nøytronstjerner hvert 10. tusen år i Melkeveien.
Fjerne grenser
Videre kan studere prosessen med fusjon og dannelse av kilonovaen gi oss veldig viktig informasjon om hvordan kollisjonen skjedde. For eksempel var lyset fra den første utkastingen etter fusjonen blåere enn forskerne forventet. Basert på dette konkluderte Metzger og andre forskere at de så på kilonovaen fra en vinkel, ikke direkte. Basert på dette scenariet kom den første blå utkastingen fra en sfærisk konvolutt eller ekvatorialbånd av lav-nøytronmateriale som ble blåst utover fra nøytronstjerner med en estimert hastighet på 10% av lysets hastighet. Senere og rødere utslipp kunne ha kommet fra materiale med høyt nøytroninnhold som ble kastet ut fra stolpene til nøytronstjerner da de kolliderte med en hastighet to til tre ganger raskere - som tannkrem.klemt ut av røret.
Hvis vi sammenligner dette scenariet med detaljerte observasjonsdata i røntgen- og radioområdet, blir den veldig nysgjerrige naturen til gammastråleutslipp knyttet til en slik sammenslåing tydeligere. Det var den nærmeste gammastråleskuren på rekorden, men også en av de svakeste. De kortvarige utbruddene av gammastråler antas å være bipolare utbrudd av intens stråling som akselereres og kastes ut nær lysets hastighet av magnetfelt inne i kolliderende nøytronstjerner når de smelter sammen og kollapser i et svart hull. Hvis du ser på dette glimtet av gammastråling direkte (øye til øye, for å si det sånn), vil det være veldig lyst. Dette skjer i de fleste tilfeller av slike utslipp, som observeres av astronomer i fjerne deler av universet. Men når du ser på disse utbruddene av gammastråler fra en vinkel, virker de ganske svake, og de kan bare oppdages hvis de er ganske nærme, i løpet av noen hundre millioner lysår.
Dermed vil forskere ved hjelp av de store dataene som er akkumulert av gravitasjonsbølge-astronomi, over tid kunne bestemme synsvinklene til mange kilonov i hele den observerbare delen av universet, og dette vil gjøre det mulig for dem å mer nøyaktig måle kosmiske strukturer i stor skala og studere deres utvikling. Forskere vil ha en mulighet til å løse de mysteriene som er mye dypere enn opprinnelsen til tunge elementer, for eksempel den forvirrende omstendigheten at universet ikke bare utvider seg, men utvider seg med akselerasjon under påvirkning av en storskala anti-tyngdekraft som kalles mørk energi.
Forskere innen kosmologi håper at de vil være i stand til å forstå mørk energi bedre ved å måle dens innvirkning på universet nøyaktig, spore gjenstander i fjerne områder av universet, forstå hvor langt de er, og hvor raskt de beveger seg i akselererende strømmer av mørk energi. Men for dette trenger forskere pålitelige "standardlys", det vil si gjenstander med kjent lysstyrke, som kan brukes til å kalibrere dette enorme, altomfattende feltet av romtid. Astrofysiker Daniel Holz fra University of Chicago og LIGO har demonstrert hvordan sammenslåtte nøytronstjerner kan bidra til denne innsatsen. I sitt arbeid viser han at styrken til gravitasjonsbølgene som ble dannet under den siste fusjonen,og også kilonova-utslippene kan brukes til å beregne utvidelseshastigheten til de nærmeste delene av universet. Denne metoden er begrenset til bare en sammenslåing og har derfor betydelig usikkerhet i verdiene, selv om den bekrefter utvidelseshastighetsdataene som er oppnådd med andre metoder. Men i de kommende årene vil gravitasjonsbølgeobservatorier, samt ny generasjon jordbaserte og romteleskoper og store størrelser, jobbe sammen og oppdage hundrevis eller til og med tusenvis av kollisjoner av nøytronstjerner hvert år. I dette tilfellet vil estimatens nøyaktighet øke markant.selv om de bekrefter dataene om utvidelseshastigheter oppnådd ved hjelp av andre metoder. Men i de kommende årene vil gravitasjonsbølgeobservatorier, i tillegg til ny generasjon jordbaserte og romteleskoper og store størrelser, jobbe sammen og oppdage hundrevis og til og med tusenvis av kollisjoner av nøytronstjerner hvert år. I dette tilfellet vil estimatens nøyaktighet øke markant.selv om de bekrefter dataene om utvidelseshastigheter oppnådd ved hjelp av andre metoder. Men i de kommende årene vil gravitasjonsbølgeobservatorier, samt ny generasjon jordbaserte og romteleskoper og store størrelser, jobbe sammen og oppdage hundrevis eller til og med tusenvis av kollisjoner av nøytronstjerner hvert år. I dette tilfellet vil estimatens nøyaktighet øke markant.
“Hva betyr alt dette? Og det faktum at målingene av gravitasjonsbølger fra disse sammenslåingene, utført av LIGO og Jomfruen, vil bli supplert med kilonovamodeller, og da vil forskere kunne forstå hva deres tilbøyeligheter og synsvinkler er, og undersøke deres spektrale utvikling med en overgang fra blått til rødt. " Dette uttales av astrofysikeren Richard O'Shaughnessy fra Rochester Institute of Technology og et medlem av LIGO-teamet. “Dette er en veldig kraftig kombinasjon av innsats. Hvis vi kjenner hellingen, kan vi beregne avstanden, noe som vil være veldig nyttig for kosmologi. Det som er gjort nå er en prototype på det vi regelmessig vil gjøre i fremtiden."
"Hvis du tenker på det, er universet en slags kollider av kosmiske partikler, og partiklene i denne kollideren er nøytronstjerner," sier O'Shaughnessy. - Han skyver disse partiklene, og nå har vi muligheten til å forstå hva som kommer ut av dette. Vi vil se et stort antall slike arrangementer de neste årene. Jeg vet ikke nøyaktig hvor mange det blir, men folk kaller det allerede kosmisk regn. Dette vil gi oss reelle data som tillater oss å koble sammen de veldig forskjellige og brå delene av astrofysikk, som tidligere bare eksisterte i hodet på teoretikere eller i form av separate informasjon i modeller av superdatamaskiner. Dette vil gi oss en mulighet til å forstå årsakene til overflod av tunge elementer i rommet. Dette vil gi oss muligheter til å studere mykt og lett komprimerbart kjernefysisk materiale under forhold med enorm tetthet. Vi vil være i stand til å måle utvidelseshastigheten til universet. Slike samarbeidsinnsatser vil gi store muligheter for astrofysikk med høy energi og utgjøre mange utfordringer de neste tiårene. Og grunnlaget for et slikt samarbeid vil være langsiktige investeringer. I dag høster vi fordelene av et stort fjell av gull, hvis masse er titalls eller hundrevis av ganger jordens masse. Denne gaven ble gitt oss av universet”.
Lee Billings er nestleder sjefredaktør for Scientific American. Han skriver om rom og fysikk.
