Krusningarna i rymdtiden, skapade av en stjärnkatastrof i en avlägsen galax, hjälper till att förklara guldets kosmiska ursprung och kartlägga en kurs för en ny era i astronomi, med observationer av det elektromagnetiska spektrumet och gravitationsvågorna.
Början på en ny era inom astronomi och fysik tillkännagavs på måndag av forskare att de först hade upptäckt krusningar på rymdtiden, så kallade gravitationella vågor, som bildades av kollisionen mellan två neutronstjärnor. Den 17 augusti nådde dessa vågor från rymden jorden i Indiska oceanen och registrerades av två detektorstationer från American Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) och den europeiska jungfrudetektorn i Italien.
Det är femte gången de senaste två åren som forskare registrerar sådana vågor. Einstein var den första som förutspådde detta fenomen efter att ha gjort det för mer än 100 år sedan. Och i år fick tre ledare för LIGO Nobelpriset i fysik för upptäckter inom gravitationsvågor.
Men alla tidigare observerade gravitationsvågor härrörde från sammanslagningen av svarta hål. Dessa svarta hål är så täta att de inte släpper ut ljus. Därför är en sådan sammanslagning av svarta hål i huvudsak omöjlig att upptäcka med konventionella teleskop, trots de otroligt kraftfulla gravitationsvågor som de genererar under de sista ögonblicken av sin hektiska dödsspiral. Utan ett större nätverk av gravitationella vågobservatorier kan astronomer inte hitta den exakta platsen för de sammanslagna svarta hålen, mycket mindre att studera och analysera dem på djupet.
Sammanfogande neutronstjärnor börjar dock med föremål som kan vara mycket lätta jämfört med svarta hål. En neutronstjärna är den starkt komprimerade kärnan i en utgående massiv stjärna, och den bildas efter en supernovaexplosion. Dess gravitationsfält är tillräckligt starkt för att pressa och förstöra materia så stor som hela solen och förvandla den till en sfär av neutroner som är lika stor som en storstad. Således är det inte en stjärna i vanlig mening, utan snarare en kärna av en atom på storleken av Manhattan. Emellertid är gravitationskraften hos en neutronstjärna fortfarande för liten för att hålla ljus, och därför kan en blixt från kollisionen mellan två sådana stjärnor tränga in i rymden och skapa inte bara gravitationsvågor utan också ett av de ljusaste fyrverkerierna i universum som alla kan se.
I detta fall bestod fyrverkerierna av en gamma-strålning som var två sekunder lång och efterglöd med olika våglängder som varade i flera veckor när den ursprungliga pulsen av gravitationella vågor signalerade början på sammanslagningen. Nästan alla astronomer och fysiker på vår planet som kände till denna händelse var bland "alla som vill". Projektforskare Julie McEnery, som arbetade med Fermi gammastrålteleskop, som spelade in en burst av gammastrålar, kallade 17 augusti "den mest underbara morgonen under alla nio år av teleskopet."
Astronomer som arbetar med fysiker på LIGO- och Virgo-teleskopet har avlagt en sekretess ed. Men ett stort antal observationer runt om i världen ledde oundvikligen till spridning av rykten, som nu har bekräftats. Detta är en världsomspännande kampanj för att övervaka kollisionen och dess följder. Utbrottet av nya observationer och framväxten av nya teorier efter kollisionen är det mest slående exemplet på gravitationell vågastronomi. Det är en ny gren av vetenskapen som samlar in data och studerar ljus, gravitationella vågor och subatomära partiklar från astrofysiska katastrofer.
Kampanjvideo:
Samtidigt publicerades ett stort antal artiklar i flera vetenskapliga tidskrifter, av vilka författarna kopplade de senaste händelserna till ett stort antal fenomen och föreslog nya idéer inom en rad olika områden, från grundläggande kärnfysik till universums utveckling. Blandningen gav bland annat observatörer möjlighet att spåra ursprunget till ett svart hål, som kunde ha bildats vid kollisionen med neutronstjärnor. Men en upptäckt är bokstavligen lysande. Detta är ett övertygande bevis på att en sammanslagning av neutronstjärnor är en kosmisk smältdegel där de tunga elementen i vårt universum, inklusive uran, platina och guld, dyker upp.
Så det säger mycket om det faktum att det radioaktiva materialet i en kärnreaktor, katalysatorn i din bil och ädelmetallen i din vigselring är resultatet av kollisionen mellan de minsta, tätaste och mest exotiska stjärnorna i vårt universum, eller åtminstone den del av dem som kan fly från de svarta hålen som bildats till följd av sammanslagningen. Denna upptäckt hjälper till att lösa den pågående debatten om det kosmiska ursprunget till tunga element, som teoretiker har varit engagerade i mer än ett halvt sekel. Det mesta av väte och helium i vårt universum uppträdde i de första ögonblicken efter big bang. Och de flesta ljuselementen, som syre, kol, kväve och så vidare, bildades av kärnfusion i stjärnor. Men frågan om de tyngsta elementens ursprung har ännu inte besvarats.
”Vi snubblade över en guldgruva! säger Laura Cadonati, astrofysiker vid Georgia Institute of Technology och LIGOs ställföreträdande presssekreterare. - Faktum är att vi först upptäckte gravitationsvåg och elektromagnetiska fenomen som en enda astrofysisk händelse. Gravitationsvågor berättar historien om vad som hände före katastrofen. Elektromagnetisk strålning berättar om vad som hände efter. " Även om detta inte är slutliga slutsatser, säger Kadonati, kommer analysen av gravitationsvågorna av detta fenomen över tid att hjälpa till att avslöja detaljerna om hur materia "sprutas" inuti neutronstjärnor vid sammanslagning, och forskare kommer att få nya möjligheter att studera dessa konstiga föremål, samt ta reda på vilken storlek de kan nå innan de kollapsar och blir ett svart hål. Kadonati konstaterar också att det fanns någon form av mystisk fördröjning på några sekunder mellan slutet av gravitationsvågens utbrott och gammastrålningens början. Kanske är detta den tidsperiod då den sammanslagna neutronstjärnornas strukturella integritet under en kort tid motstod den oundvikliga kollapsen.
Många forskare har länge väntat på denna banbrytande upptäckt. "Mina drömmar har gått i uppfyllelse", säger astrofysiker Szabolcs Marka vid Columbia University och en del av LIGO-forskargruppen. Tillbaka i slutet av nittiotalet blev den här mannen en anhängare av gravitationell vågastronomi, kompletterad med observationer av det elektromagnetiska spektrumet. Under de åren, påminner Mark, om att han ansågs vara en galning som försökte förbereda sig för framtida observationer av gravitationella vågor, även om det fortfarande fanns flera decennier innan detta fenomen direkt upptäcktes. "Nu känner jag och mina kollegor hämnas", säger han.”Vi studerade detta system av kolliderande neutronstjärnor i en mycket varierad uppsättning signaler. Vi såg det i gravitationsvågor, i gammastrålar, i ultraviolett ljus, i synligt och infrarött ljus,såväl som i röntgen och radiovågor. Detta är den revolution och evolution i astronomi som jag hade satt mina förhoppningar på för 20 år sedan."
Direktören för National Science Foundation (den federala byrån som tillhandahåller huvuddelen av LIGO: s finansiering), Frankrike Córdova, sa att den senaste prestationen var ett "historiskt ögonblick inom vetenskapen" och att det möjliggjordes av det ihållande och långvariga regeringsstödet från många astrofysiska observatorier. …”Upptäckten av gravitationsvågor, från den första korta vibroseismiska signalen som hörs runt om i världen till den sista, längre signalen, motiverar inte bara den riskabla men givande investeringen från National Science Foundation utan driver oss också till gör mer i den riktningen, säger Cordova. - Jag hoppas att NSF kommer att fortsätta att stödja innovatörer och innovationer,som kommer att förändra vår kunskap och inspirera kommande generationer."
Vilken fantastisk möjlighet
När de första gravitationsvågorna från sammanslagningen upptäcktes, följt av gammastrålar (omedelbart upptäcktes av forskare som använde Fermi-teleskopet och INTEGRAL-rymdteleskop), började ett lopp att ta reda på vad som var källan till kollisionen i rymden, liksom dess efterglöd. Mycket snabbt riktade många forskargrupper de tillgängliga teleskopen mot den delen av himlen där, enligt beräkningarna av forskarna med LIGO och Jungfrun, skulle källan ha varit. Det var en del av himlen som täckte 31 kvadrat grader och innehöll hundratals galaxer. (Om bara LIGO-observatoriet användes, sa Kadonati, skulle dessa observationer likna att söka efter den gyllene ringen som ligger på botten av Stilla havet. Men med den tredje datapunkten från Jungfrun, säger hon, kunde forskarna beräkna källans plats.och som ett resultat blev observationerna mer som "att leta efter den gyllene ringen i Medelhavet.")
Huvuddelen av observationerna utfördes av forskare i chilenska observatorier. De började sitt arbete direkt efter solnedgången, när den önskade delen av himlen kom ut ur horisonten. Olika forskargrupper har använt en mängd olika sökstrategier. Någon utförde helt enkelt kontinuerlig observation av en del av himlen och rör sig metodiskt från ena sidan till den andra; någon riktade sig mot galaxer där neutronstjärnor mest troligt smälte samman. I slutändan visade sig den andra strategin vara en vinnande strategi.
Den första som såg den optiska glöden var en doktorand och forskare vid University of California, Santa Cruz, Charles Kilpatrick. Han satt vid sitt skrivbord på sitt kontor och tittade igenom bilder av några galaxer, efter att ha fått ett uppdrag från en av sina astronomer Ryan Foley, som hjälpte till att organisera projektet. Den nionde bilden som han började studera var ett fotografi som snabbt tagits och delats av kollegor på andra sidan världen som arbetar på det enorma Swope-teleskopet vid Las Campanas observatorium i Chile. Det var på den som han såg vad alla letade efter: en ljusblå punkt i mitten av en jätte elliptisk galax, som är ett kluster av gamla röda stjärnor 10 miljarder år gamla, som var belägna 120 miljoner ljusår bort. De var alla namnlösaförutom beteckningarna i katalogerna. Man tror att det är i sådana galaxer som sammanslagningar av neutronstjärnor oftast förekommer, eftersom de är gamla, har deras stjärnor en hög densitet och det finns en hel del unga stjärnor i sådana galaxer. Jämförelse av denna bild med tidigare bilder av samma galax såg Kilpatrick inte en sådan punkt på dem. Det var något nytt, nyligen. "Det gick verkligen långsamt upp för mig vilket historiskt ögonblick det här var", påminner Kilpatrick. "Men då var jag fokuserad på min uppgift och försökte arbeta så snabbt som möjligt."Jämförelse av denna bild med tidigare bilder av samma galax såg Kilpatrick inte en sådan punkt på dem. Det var något nytt, nyligen. "Det gick verkligen långsamt upp för mig vilket historiskt ögonblick det här var", påminner Kilpatrick. "Men vid den tiden var jag fokuserad på min uppgift och försökte arbeta så snabbt som möjligt."Jämförelse av denna bild med tidigare bilder av samma galax såg Kilpatrick inte en sådan punkt på dem. Det var något nytt, nyligen. "Det gick verkligen långsamt upp för mig vilket historiskt ögonblick det här var", påminner Kilpatrick. "Men vid den tiden var jag fokuserad på min uppgift och försökte arbeta så snabbt som möjligt."
Kilpatrick delade synen med andra medlemmar i hans team, inklusive Carnegie-astronomen Josh Simon, som snabbt fångade en bekräftelsebild med ett av Chiles största Magellan-teleskop, sex och en halv meter i diameter. Den blå pricken var också närvarande i dessa bilder. Under en timme mätte Simon spektrumet för denna punkt, det vill säga de olika färgerna på det ljus som den avgav. Han gjorde detta i parade bilder med en slutartid på fem minuter. Simon trodde att sådana spektrala bilder skulle visa sig vara användbara för vidare forskning. Och om inte, kommer de i alla fall att kunna bevisa att detta inte bara är någon vanlig supernova eller någon annan kosmisk bedragare. Under tiden märkte också andra forskargrupper denna punkt och började studera den. Men Foleys team var snabbare än andra att hitta en bekräftelse och genomföra en spektralanalys och säkra ledningen i denna upptäckt. "Vi var de första som fick bilden, och vi var de första som identifierade källan till den bilden", säger Simon.”Och eftersom vi fick både det första och det andra mycket snabbt lyckades vi göra den första spektralanalysen av denna sammanslagning, som ingen i Chile kunde göra den kvällen. Efter det meddelade vi vår upptäckt för hela vetenskapssamhället. "Efter det meddelade vi vår upptäckt för hela vetenskapssamhället. "Efter det meddelade vi vår upptäckt för hela vetenskapssamhället."
Dessa första spektralobservationer visade sig vara extremt viktiga för den efterföljande analysen och lösningen av vissa mysterier. De visade att resterna från fusionen snabbt svalnar och förlorar sitt ljusblå ljus, som förvandlas till en djup rubin. Dessa data kontrollerades och bekräftades under observationer under de följande veckorna, medan den synliga punkten bleknade och bleknade och dess glöd skiftade och starkt ljus passerade in i det infraröda området av spektrumet med en längre våglängd. De allmänna färgmönstren, kylningen och expansionen liknade mycket vad många teoretiker, som arbetade oberoende av varandra, tidigare hade förutsagt. Först och främst är dessa Brian Metzger från Columbia University och Dan Kasen från UC Berkeley.
Kort sagt, förklarar Metzger, vad astronomerna såg efter denna sammanslagning kunde kallas "kilonova". Det är ett intensivt ljusutbrott från frisläppandet och efterföljande radioaktivt sönderfall av vitt hett, neutronrikt material från en neutronstjärna. När detta material expanderar och svalnar fångas de flesta av dess neutroner av kärnorna av järn och andra tunga element kvar som aska från supernovaexplosionen och bildandet av en neutronstjärna.”Detta leder till att det skapas ännu tyngre element inom cirka en sekund när de utskjutna partiklarna fångar upp dessa neutroner och expanderar i rymden. En av dessa sammanslagningar utgör den nedre halvan av det periodiska systemet, nämligen guld, platina, uran och så vidare, säger Metzger. I slutskedet skiftar ljuset från kilonova skarpt till den infraröda zonen, när neutroner som faller ut ur utkastningen bildar de tyngsta elementen som absorberar synligt ljus mycket effektivt.
Att mäta kilonovakroppens spektralförändringar gör i sin tur att astronomer kan bestämma antalet olika element som bildas under fusionsprocessen. Edo Berger, som studerar kilonova vid Smithsonian Center for Astrophysics och ledde många och de mest ambitiösa observationerna av denna sammanslagning, säger att händelsen producerade tunga element som väger 16 000 jordmassor. "Allt finns där: guld, platina, uran och andra, konstigaste element som vi känner i form av bokstäver i det periodiska systemet, även om vi inte känner till deras namn", säger han. "När det gäller upplösningen är det exakta svaret på denna fråga fortfarande okänt för oss."
Vissa teoretiker föreslår att mängden guld som bildas till följd av sammanslagningen bara är några tiondelar av jordens massa. Metzger, å sin sida, tror att detta antal är lika med cirka 100 jordmassor. Enligt honom bildades platina tre gånger mer än jordens massa och uran - 10 gånger mindre. I vilket fall som helst, om vi jämför de nya statistiska uppskattningarna av frekvensen av sådana sammanslagningar, baserat på de senaste mätningarna, får vi ett ganska stort antal sådana händelser. "Det finns tillräckligt med dem för att bilda och ackumulera de element som bildar vårt eget solsystem och de olika stjärnor som vi ser", säger Metzger.”Baserat på vad vi har sett kan dessa sammanslagningar förklaras i detalj. Det finns förmodligen andra sätt att bilda tunga element, men det verkar somatt vi inte behöver dem. " Enligt honom sker det bara en sammanslagning av neutronstjärnor vart tionde år i Vintergatan.
Avlägsna gränser
Dessutom kan studera processen för fusion och bildning av kilonova ge oss mycket viktig information om hur kollisionen inträffade. Till exempel var ljuset från den första utkastningen efter sammanslagningen blåare än vad forskarna förväntade sig. Baserat på detta drog Metzger och andra forskare slutsatsen att de tittade på kilonova från en vinkel, inte direkt. Baserat på detta scenario kom den ursprungliga blåa utkastningen från ett sfäriskt hölje eller ekvatorialt band av lågneutronmaterial som blåstes ut från neutronstjärnor med en uppskattad hastighet på 10% av ljusets hastighet. Senare och rödare utsläpp kan ha kommit från material med ett högt neutroninnehåll, som matades ut från neutronstjärnornas poler när de kolliderade med en hastighet av två till tre gånger snabbare - som tandkräm.pressas ut ur röret.
Om vi jämför detta scenario med detaljerade observationsdata i röntgen- och radioområdena, blir den mycket nyfikna naturen hos gammastrålningsemissionen i samband med en sådan sammanslagning tydligare. Det var den närmaste gammastrålningen som registrerats, men också en av de svagaste. Kortlivade bursts av gammastrålar anses vara bipolära bursts av intensiv strålning som accelereras och matas ut nära ljusets hastighet av magnetfält inuti kolliderande neutronstjärnor när de sammanfaller och kollapsar i ett svart hål. Om du tittar på denna gamma-strålning direkt (öga mot öga, så att säga), blir den väldigt ljus. Detta händer i de flesta fall av sådana utsläpp, som observeras av astronomer i avlägsna delar av universum. Men om man tittar på dessa utbrott av gammastrålning från en vinkel, verkar de ganska svaga och de kan bara detekteras om de är ganska nära inom några hundra miljoner ljusår.
Således, med hjälp av de överflödiga data som ackumulerats av gravitationell vågastronomi, kommer forskare att kunna bestämma över tid betraktningsvinklarna för många kilonovs i hela den observerbara delen av universum, och detta gör det möjligt för dem att mer exakt mäta kosmiska strukturer i stor skala och studera deras utveckling. Forskare kommer att få en möjlighet att avslöja de mysterier som är mycket djupare än ursprunget till tunga element, säg det förvirrande faktum att universum inte bara expanderar utan expanderar med acceleration under påverkan av en storskalig anti-gravitationskraft som kallas mörk energi.
Forskare inom kosmologiområdet hoppas att de kommer att kunna bättre förstå mörk energi genom att exakt mäta dess inverkan på universum, spåra föremål i avlägsna regioner i universum, förstå hur långt borta de är och hur snabbt de rör sig i de accelererande strömmarna av mörk energi. Men för detta behöver forskare tillförlitliga "standardljus", det vill säga föremål med känd ljusstyrka, som kan användas för att kalibrera detta enorma, alltomfattande fält av rymdtid. Astrofysikern Daniel Holz vid University of Chicago och LIGO har visat hur sammanslagna neutronstjärnor kan bidra till detta. I sitt arbete visar han att kraften från gravitationsvågorna som bildades under den senaste sammanslagningen,och även kilonova-utsläppen kan användas för att beräkna expansionshastigheten för de närmaste delarna av universum. Denna metod är begränsad till bara en sammanslagning och har därför betydande osäkerhet i sina värden, även om den bekräftar expansionshastighetsdata som erhållits med andra metoder. Men under de kommande åren kommer gravitationella vågobservatorier, liksom nya generationens markbaserade och rymdteleskop och stora storlekar, att arbeta tillsammans och upptäcka hundratals eller till och med tusentals kollisioner av neutronstjärnor varje år. I detta fall kommer uppskattningarnas noggrannhet att öka markant.även om de bekräftar data om expansionshastigheter som erhållits med andra metoder. Men under de kommande åren kommer gravitationella vågobservatorier, liksom ny generation markbaserade och rymdteleskop och stora storlekar, att arbeta tillsammans och upptäcka hundratals och till och med tusentals kollisioner av neutronstjärnor varje år. I detta fall kommer uppskattningarnas noggrannhet att öka markant.även om de bekräftar data om expansionshastigheter som erhållits med andra metoder. Men under de kommande åren kommer gravitationella vågobservatorier, liksom ny generation markbaserade och rymdteleskop och stora storlekar, att arbeta tillsammans och upptäcka hundratals eller till och med tusentals kollisioner av neutronstjärnor varje år. I detta fall kommer uppskattningarnas noggrannhet att öka markant.
”Vad betyder allt detta? Och det faktum att mätningarna av gravitationsvågor från dessa sammanslagningar, utförda av LIGO och Jungfrun, kommer att kompletteras med kilonovamodeller, och sedan kommer forskare att kunna förstå vad deras lutningar och betraktningsvinklar är och undersöka deras spektrala utveckling från blått till rött. " Detta konstateras av astrofysikern Richard O'Shaughnessy vid Rochester Institute of Technology och en medlem av LIGO-teamet.”Det här är en mycket kraftfull kombination av insatser. Om vi känner till lutningen kan vi beräkna avståndet, vilket kommer att vara mycket användbart för kosmologi. Det som har gjorts nu är en prototyp för vad vi regelbundet kommer att göra i framtiden."
"Om du tänker på det är universum en slags kolliderare av kosmiska partiklar, och partiklarna i denna kollider är neutronstjärnor", säger O'Shaughnessy. - Han driver dessa partiklar, och nu har vi möjlighet att förstå vad som kommer ut ur detta. Vi kommer att se ett stort antal sådana evenemang de närmaste åren. Jag vet inte exakt hur många det kommer att bli, men folk kallar det redan kosmiskt regn. Detta kommer att ge oss verkliga data som gör det möjligt för oss att ansluta mycket olika och plötsliga strängar av astrofysik, som tidigare bara fanns i teoretikernas tankar eller i form av separata bitar av information i modeller av superdatorer. Detta ger oss en möjlighet att förstå orsakerna till överflödet av tunga element i rymden. Detta ger oss möjligheter att studera mjukt och lätt komprimerbart kärnämne under förhållanden med enorm densitet. Vi kommer att kunna mäta universums expansionshastighet. Sådana samarbetsinsatser kommer att ge stora möjligheter för astrofysik med hög energi och utgör många utmaningar under de kommande decennierna. Och detta samarbete kommer att baseras på långsiktiga investeringar. Idag skördar vi frukterna av ett enormt berg av guld, vars massa är tiotals eller till och med hundratals gånger jordens massa. Denna gåva presenterades för oss av universum”.
Lee Billings är biträdande chefredaktör för Scientific American. Han skriver om rymden och fysiken.
