LIGO observatorija, kurios kūrėjai gavo 2017 metų Nobelio premiją, jau pakeitė astronomijos pasaulį. Kai 2016 m. Mokslininkai iš tarptautinės mokslo bendruomenės LIGO atrado pirmąsias gravitacines bangas, jie atrado naują visatos stebėjimo būdą. Pirmą kartą mokslininkai sugebėjo „įsiklausyti“į erdvės laiko svyravimus, atsirandančius dėl didelių objektų (pavyzdžiui, juodųjų skylių) susidūrimo.
Bet tai buvo tik pradžia. Tikslas buvo sujungti gravitacinių bangų stebėjimą su įprastesnių teleskopų duomenimis.
- „Salik.biz“
2017 m. Spalio mėn. „Physical Review Letters“LIGO mokslininkų komanda, kurią sudaro keli tūkstančiai žmonių visame pasaulyje, paskelbė dokumentų seriją apie neįtikėtiną atradimą. Tyrėjai sugebėjo ne tik aptikti gravitacines bangas iš dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimo, bet ir nustatyti jų koordinates danguje, taip pat stebėti reiškinį optiniais ir elektromagnetiniais teleskopais.
„Tai yra viena išsamiausių įsivaizduojamų astrofizinių reiškinių istorijų“, - sako Sirakūzų universiteto fizikas Peteris Solsonas ir LIGO bendruomenės narys.
Kiekvienas šaltinis pasakoja savo istoriją
Gravitacinės bangos fizikams nurodo objektų dydį ir atstumą, o tai leidžia jiems atkurti momentą prieš susidūrimą. Matomos radiacijos ir elektromagnetinių bangų stebėjimai užpildo spragas, kurių gravitacinės bangos negali paaiškinti. Jie padeda astronomams išsiaiškinti, iš kokių objektų buvo padaryti ir kokie cheminiai elementai atsirado po susidūrimo. Mūsų atveju mokslininkai sugebėjo padaryti išvadą, kad sprogimas, susiliejus neutroninėms žvaigždėms, lėmė sunkiųjų elementų - aukso, platinos ir urano - atsiradimą (anksčiau buvo tik manoma, bet to negalima patvirtinti tiesioginiu stebėjimu).
Dabar mokslininkams pavyko savo akimis pamatyti visatos alchemiją veikiant. „Manau, kad šio atradimo poveikis mokslui bus reikšmingesnis nei pirmasis juodųjų skylių aptikimas per gravitacines bangas“, - teigė kitas LIGO bendruomenės ir Sirakūzų universiteto mokslininkas Duncanas Brownas. "Čia kalbama apie daugelį fizikos ir astronomijos aspektų." Ir visa tai yra lobių medžioklės tarp žvaigždžių, kurioje dalyvauja visas pasaulis, rezultatas.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Lenktynės prieš laiką. Vieta pažymėta kryžiumi
Rugpjūčio 17 d., 8:41 val., LIGO aptiko gravitacines bangas - laiko ir erdvės kreivumą, einančias per Žemę. LIGO yra dvi L formos observatorijos JAV Luizianos ir Vašingtono valstijose, kurios gali užregistruoti bangas, kurios suspaudžia ir ištempia erdvės-laiko tęstinumą.
Per pastaruosius dvejus metus LIGO sugebėjo aptikti gravitacines bangas, kurias sukelia susidūrusios juodosios skylės. Tačiau rugpjūčio 17 d. Signalas buvo visai kitoks. Jis pasirodė daug stipresnis už tai, kas buvo užfiksuota atradus juodąją skylę. Naujas signalas truko 100 sekundžių, o signalai iš juodųjų skylių buvo tik keli. Tai reiškė, kad susidūrimas įvyko daug arčiau Žemės.
Kai LIGO nustato gravitacines bangas, ji automatiškai siunčia pranešimus šimtams mokslininkų visame pasaulyje. Duncan Brown yra vienas iš jų. „Labai greitai gavome telefono signalą ir supratome, kad tai buvo netikėtai stiprus gravitacinių bangų signalas. Tai mus sukrėtė “, - prisimena jis.
Iškart tapo aišku, kad tai nebuvo juodųjų skylių susiliejimas. Pradinė analizė parodė, kad bangos kilo susidūrus dviem neutroninėms žvaigždėms - objektams, kurių tankis yra labai didelis. Manoma, kad jų viduje susidaro sunkieji cheminiai elementai.
Kai LIGO nustato gravitacines bangas iš susidūrusių juodųjų skylių, danguje nieko nematyti: juodosios skylės, kaip rodo jų pavadinimas, yra tamsios. O kaip dviejų neutronų žvaigždžių susidūrimas? Spektaklis turėtų būti tarsi spalvingas fejerverkas.
Sarah Wilkinson / Las Campanaso observatorija
Ir taip nutiko: praėjus dviem sekundėms po LIGO signalo, NASA „Fermi“kosminis teleskopas aptiko gama spinduliuotės sprogimą - vieną galingiausių mums žinomos sprogstamosios energijos sprogimų Visatoje. Ilgą laiką astronomai kūrė teorijas, kad neutroninių žvaigždžių susiliejimas gali sukelti gama spindulių pliūpsnius. Ir dabar tai negalėjo būti atsitiktinumas.
Tuo pačiu metu iš tokio sprogstamojo branduolio sintezės greitai sutemsta. Skaičiavimas tęsėsi kelias minutes, o mokslininkai iš tarptautinės mokslo bendruomenės LIGO buvo priversti skubėti. „Kuo greičiau pateksite į teleskopą, tuo daugiau informacijos gausite“, - sako Brownas. Tyrinėdami šviesą ir kaip ji keičiasi, mokslininkai gali surinkti daugybę informacijos, kuri padės geriau suprasti neutronines žvaigždes ir tai, kaip jos sujungia pokyčių materiją.
Brownas ir jo kolegos įsidarbino organizuodami telekonferencijas su dešimtimis mokslininkų visame pasaulyje. LIGO komanda dirbo su partneriais iš VIRGO, Italijos gravitacinių bangų observatorijos, kad padėtų dvigubai daugiau pastangų žemėlapiui su dangumi ir gravitacinių bangų šaltiniui nustatyti. Jie susiaurino paiešką iki kumščio dydžio rankos ilgio. (Astronominiu požiūriu, net šis regionas yra didžiulė erdvė. Žemėlapio, kuriame yra rankos ilgio degtuko galvutė, plotas gali būti tūkstančiai galaktikų.) VIRGO detektorius Italijoje nesiėmė signalo, kuris padėjo nustatyti žvaigždžių padėtį. VIRGO neturi zonų, kuriose nėra jokio signalo, todėl neutroninės žvaigždės turėjo būti šalia vienos iš jų.
Šis dangaus žemėlapis yra suderinto „Fermi“, „LIGO“, „VIRGO“ir „Integral“(kitos gama spindulių observatorijos) informacijos rezultatas. Kiekvienas detektorius numatė sritį, kurioje galėjo atsirasti signalas. Ten, kur jie sutapo, buvo nurodyta vieta, pažymėta kryželiu kosminių lobių žemėlapyje.
„LIGO“komanda išsiuntė laiškus viso pasaulio astronomams, kurie naktį galėjo apžiūrėti šį dangaus regioną.
Ir sėkmė jų nepraleido! Kelios antžeminės observatorijos sugebėjo aptikti kilogramo (arba makrono) vietą - sprogimą dėl dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimo. Kairėje esančioje nuotraukoje parodyta, ką astronomai užfiksavo atidarymo naktį. Dešinėje yra tai, kaip jis atrodė po kelių dienų. Sprogimas pastebimai pritemdė.
„1M2H / UC Santa Cruz“ir „Carnegie Observatory“/ Ryanas Foley
Taip galaktika atrodė likus kelioms savaitėms iki kilonovos susidarymo (viršutinis vaizdas). Apatiniame paveikslėlyje pavaizduotas sprogimas.
„Dark Energy Camera“„GW-EM“bendradarbiavimas ir „DES / Berger“bendradarbiavimas
Vaizdai gali atrodyti neryškūs, tačiau apie juos yra daugybė informacijos. Tiksliomis koordinatėmis mokslininkai gali sureguliuoti Hablo kosminį teleskopą ir „Chandra“kosmoso rentgeno observatoriją, kad sprogtų kilonova. Šių priemonių pagalba astronomai galės pažvelgti į Visatos procesą viena akimi.
Kaip susidūrusios neutronų žvaigždės sukuria auksą
Neutronų žvaigždės yra neįprasti kosminiai kūnai. Jie susidaro dėl žvaigždžių gravitacinio griūties (pavyzdžiui, supernovos sprogimų metu) ir turi labai didelį tankį. Įsivaizduokite objektą, kurio masė yra kaip Saulė, bet tik 25 kilometrų skersmens. Tai yra 333 000 visos Žemės masių, suspaustų į rutulį, kurio dydis yra centrinis Maskvos rajonas. Slėgis viduje yra toks didžiulis, kad ten gali egzistuoti tik neutronai (protonai, susilieję su elektronais).
Galaktikoje, esančioje už 130 milijonų šviesmečių, du tokie objektai „šoko“vienas šalia kito, judėdami orbita ir vis arčiau. Jie susidūrė, o per Visatą išsiskyrusi energija pasiuntė bangą, kuri iškreipia laiką ir erdvę, ir dalelių srautą (gama spinduliuotės sprogimas aptiktas kartu su gravitacinėmis bangomis). Tiek gravitacijos bangos, tiek gama spinduliai judėjo šviesos greičiu. Tai yra dar vienas Alberto Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos įrodymas. Gali būti, kad po susijungimo neutroninės žvaigždės sudarė naują juodąją skylę, nes jos turėjo pakankamai masės. Vis dėlto informacijos vienareikšmiškam teiginiui dar nepakanka.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Bet vieną dalyką jau galima pasakyti užtikrintai: po sprogimo daugelis likusių neutronų sujungė ir sudarė cheminius elementus.
Visi mes ir kiekvienas Žemės elementas yra pagaminti iš žvaigždžių. Dėl didžiojo sprogimo laiko pradžioje susiformavo labai lengvi elementai - vandenilis ir helis. Šie elementai sujungti į žvaigždes, kurių viduje vykstant suliejimo reakcijoms atsirado elementai, kurių masė buvo didesnė.
Kai žvaigždės išgyveno supernovą (žlugimas ir vėlesnis sprogimas), buvo sukurti dar sunkesni elementai. Vis dėlto, pasak Browno, aukso ir platinos išvaizda ilgą laiką buvo paslaptis. Net supernovos sprogimai nėra pakankamai galingi jiems sukurti.
Yra buvę teorijų, kad kilogramo žvaigždė (susiformavusi sujungus dvi neutronines žvaigždes) yra pajėgi gaminti šiuos metalus. Ir kadangi astronomai sugebėjo laiku nustatyti susijungimo vietą, jie patvirtino šią teoriją. Po sprogimo paliktos šviesos spalva ir kokybė patvirtino aukso ir platinos susidarymą. Atrodė, kad mokslininkai stebėjo alchemiją.
„Auksas žemėje kažkada buvo sukurtas po branduolinio sprogimo susijungus [neutronų žvaigždėms]“, - aiškina Brownas. - Dabar ant piršto turiu platininį vestuvinį žiedą. Tik pagalvok, tai atsirado dėl neutroninių žvaigždžių susidūrimo! “
Artėja nauja astronomijos era
Aprašytas atradimas žymi naujos astronomijos eros pradžią. Mokslininkai galės ištirti dangaus kūnus ne tik naudodamiesi jų skleidžiama šviesa ir radiacija, bet ir sujungti šiuos stebėjimus su informacija, gauta analizuojant gravitacines bangas. Šioje informacijoje yra informacija apie tai, kaip dvi neutroninės žvaigždės judėjo aplink viena kitą, kai įvyko susidūrimas, taip pat yra daugybė informacijos apie jo pasekmes.
Dešinėje - neutroninių žvaigždžių medžiagos vizualizacija. Kairėje - erdvės laiko iškraipymas šalia sprogimų. Karan Janey / Džordžijos technologijos institutas
Visų informacijos šaltinių derinys vadinamas daugiakanaliu astronomija, tai yra astronomija, pagrįsta elektromagnetinio spektro stebėjimų pridėjimu su gravitacinių bangų stebėjimais. Tai buvo LIGO mokslininkų svajonė nuo pat observatorijos įkūrimo.
„Įsivaizduokite, kad gyvenate kambaryje be langų ir viskas, ką galite padaryti, yra girdėti griaustinį, bet nematyti žaibo“, - aiškina Vicki Kalogera, Šiaurės Vakarų universiteto astrofizikas ir LIGO bendruomenės narys. - Dabar įsivaizduokite, kad buvote perkeltas į kambarį su langu. Nuo šiol jūs ne tik girdite griaustinį, bet ir matote žaibą. Žaibas suteikia visiškai naują galimybę tyrinėti perkūniją ir suprasti, kas iš tikrųjų vyksta “.
Gravitacinės bangos yra griaustinis. Sprogimų stebėjimas per teleskopą - žaibas.
Vos prieš mėnesį trys LIGO įkūrėjai už novatorišką darbą gavo Nobelio fizikos premiją. Kaip pastebėjo Ed Youngas iš „The Atlantic“, apdovanojimas trims iš šimtų, reikšmingai prisidėjusių prie LIGO projekto, sukuria nepatogią ir prieštaringai vertinamą situaciją. Tačiau naujausi rezultatai rodo, kad premija už mokslinį darbą buvo pelnyta.
Geriausias dalykas stebint gravitacines bangas yra tas, kad procesas yra pasyvus. LIGO ir VIRGO tą pačią dieną „išgirs“visas gravitacines bangas, praeinančias pro Žemę. Kiekvienas signalas žymi naujos „lobių“paieškos pradžią, nes mokslininkai turi suprasti, kas sukūrė erdvės laiko svyravimus.
Astronomai tikisi pamatyti daugiau juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių susijungimų. Tačiau galima atrasti dar įdomesnių reiškinių. Jei LIGO ir VIRGO observatorijos ir toliau tobulės, yra tikimybė, kad bus galima aptikti gravitacines bangas, likusias nuo Didžiojo sprogimo. Arba, dar įdomiau, šios observatorijos galės aptikti anksčiau nežinomus gravitacinių bangų šaltinius, kurių negalėjo numatyti.
„Man buvo liūdna, kad gimiau po pirmo įgulos iškrovimo Mėnulyje“, - teigė Thomas Corbitt, fizikas ir LIGO bendruomenės narys Luizinos valstijos universitete. - Bet kai tampate tokių įvykių, kurie įrodo didelę bendros veiklos sėkmę, liudininku, atsiranda įkvėpimas. Jie suteikia mums daugiau žinių apie Visatą “.
Originalų straipsnį anglų kalba galite rasti čia.