Undele din spațiu-timp, create de un cataclism stelar într-o galaxie îndepărtată, ajută la explicarea originilor cosmice ale aurului și trasează un curs pentru o nouă eră în astronomie, observând spectrul electromagnetic și undele gravitaționale.
Începutul unei noi ere în astronomie și fizică a fost anunțat luni de oamenii de știință că au descoperit mai întâi ondulații în spațiu-timp, cunoscute sub numele de unde gravitaționale, care s-au format prin coliziunea a două stele de neutroni. Pe 17 august, aceste valuri din spațiu au ajuns pe Pământ în regiunea Oceanului Indian și au fost înregistrate de două stații de detector ale Observatorului American de Interferometrie cu Onde Gravitaționale (LIGO) și de detectorul Fecioară european situat în Italia.
Aceasta este a cincea oară în ultimii doi ani când oamenii de știință au înregistrat astfel de valuri. Einstein a fost primul care a prezis acest fenomen, după ce a făcut-o acum mai bine de 100 de ani. Și anul acesta, trei lideri ai LIGO au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru descoperirile lor în domeniul undelor gravitaționale.
Cu toate acestea, toate undele gravitaționale observate anterior au provenit din fuzionarea găurilor negre. Aceste găuri negre sunt atât de dense încât nu eliberează lumină. Prin urmare, o astfel de fuziune a găurilor negre este în esență imposibil de detectat cu telescoapele convenționale, în ciuda undelor gravitaționale incredibil de puternice pe care le generează în ultimele momente ale spiralei lor frenetice de moarte. Fără o rețea mai mare de observatoare cu unde gravitaționale, astronomii nu sunt în măsură să identifice locația exactă a găurilor negre care fuzionează, cu atât mai puțin să le studieze și să le analizeze în profunzime.
Fuziunea stelelor de neutroni, însă, începe cu obiecte care pot fi foarte ușoare în comparație cu găurile negre. O stea de neutroni este nucleul foarte comprimat al unei stele masive expirate și se formează după o explozie de supernovă. Câmpul său gravitațional este suficient de puternic pentru a stoarce și a distruge materia la fel de mare ca întregul Soare, transformând-o într-o sferă de neutroni de mărimea unui oraș mare. Astfel, nu este o stea în sensul obișnuit, ci mai degrabă un nucleu al unui atom de mărimea Manhattanului. Cu toate acestea, forța gravitațională a unei stele de neutroni este încă prea mică pentru a ține lumina și, prin urmare, o fulgere din coliziunea a două astfel de stele poate pătrunde în spațiu, creând nu numai unde gravitaționale, ci și unul dintre cele mai strălucitoare artificii din Univers pe care le poate vedea oricine.
În acest caz, când pulsul inițial al undelor gravitaționale a semnalat începerea fuziunii, focurile de artificii au constat dintr-o explozie de radiații gamma de două secunde și o luminozitate diferită de lungimi de undă care au durat câteva săptămâni. Aproape toți astronomii și fizicienii de pe planeta noastră care știau despre acest eveniment s-au numărat printre „oricine dorește”. Cercetătorul de proiect Julie McEnery, care lucrează cu telescopul cu raze gamma Fermi, care a înregistrat o explozie de raze gamma, a numit 17 august „cea mai minunată dimineață din toți cei nouă ani ai telescopului”.
Astronomii care lucrează cu fizicieni pe telescopul LIGO și Fecioară au depus un jurământ de secret. Cu toate acestea, numărul uriaș de observații din întreaga lume a dus inevitabil la răspândirea zvonurilor, care au fost confirmate acum. Aceasta este o campanie mondială de monitorizare a coliziunii și a consecințelor acesteia. Explozia de noi observații și apariția noilor teorii după coliziune este cel mai izbitor exemplu de astronomie cu unde gravitaționale. Este o nouă ramură a științei care colectează date și studiază lumina, undele gravitaționale și particulele subatomice din cataclisme astrofizice.
Video promotional:
În același timp, un număr imens de articole au fost publicate în mai multe reviste științifice, ale căror autori au conectat cele mai recente evenimente cu o mare varietate de fenomene și au propus idei noi în diverse direcții, de la fizica nucleară fundamentală la evoluția Universului. Printre altele, această fuziune a oferit observatorilor posibilitatea de a urmări originea unei găuri negre, care s-ar fi putut forma în coliziunea stelelor cu neutroni. Dar o descoperire este literalmente genială. Aceasta este o dovadă convingătoare că o fuziune a stelelor de neutroni este un topitor cosmic în care apar elemente grele ale universului nostru, inclusiv uraniu, platină și aur.
Astfel, spune multe despre faptul că materialul radioactiv dintr-un reactor nuclear, convertorul catalitic din mașina dvs. și metalul prețios din verigheta dvs. sunt rezultatul coliziunii celor mai mici, mai dense și mai exotice stele din universul nostru sau cel puțin partea din ele care poate scăpa de găurile negre formate ca urmare a fuziunii. Această descoperire va ajuta la rezolvarea dezbaterii aflate în curs de desfășurare cu privire la originea cosmică a elementelor grele, în care teoreticienii s-au angajat de mai bine de jumătate de secol. Majoritatea hidrogenului și heliului din universul nostru au apărut în primele momente după big bang. Și majoritatea elementelor ușoare, cum ar fi oxigenul, carbonul, azotul și așa mai departe, s-au format prin fuziunea nucleară în stele. Însă întrebarea despre originea celor mai grele elemente nu a primit încă răspuns.
„Am dat peste o mină de aur! spune Laura Cadonati, astrofizician la Institutul de Tehnologie din Georgia și secretar de presă adjunct al LIGO. - De fapt, am descoperit mai întâi fenomenul undelor gravitaționale și electromagnetice ca un singur eveniment astrofizic. Valurile gravitaționale ne spun povestea a ceea ce s-a întâmplat înainte de cataclism. Radiația electromagnetică spune despre ce s-a întâmplat după aceea. Deși acestea nu sunt concluzii finale, Kadonati spune însă că analiza undelor gravitaționale ale acestui fenomen de-a lungul timpului va ajuta la dezvăluirea detaliilor despre modul în care materia este „stropită” în interiorul stelelor de neutroni atunci când fuzionează, iar oamenii de știință vor avea noi oportunități de a studia aceste obiecte ciudate, precum și de a afla ce dimensiune pot ajunge înainte să se prăbușească și să devină o gaură neagră. Kadonati observă, de asemenea, că a existat un fel de întârziere misterioasă de câteva secunde între sfârșitul exploziei undei gravitaționale și începutul radiației gamma. Poate că aceasta este perioada de timp în care integritatea structurală a fuziunii stelelor de neutroni pentru o perioadă scurtă de timp a rezistat colapsului inevitabil.
Mulți cercetători au așteptat de mult această descoperire descoperitoare. „Visele mele s-au împlinit”, spune astrofizicianul Szabolcs Marka de la Columbia University și o parte a echipei de cercetare LIGO. La sfârșitul anilor nouăzeci, acest om a devenit un adept al astronomiei unde gravitaționale, completat de observații ale spectrului electromagnetic. În acei ani, își amintește Mark, era considerat un nebun care încerca să se pregătească pentru viitoarele observații ale undelor gravitaționale, deși mai erau câteva decenii înainte de descoperirea directă a acestui fenomen. „Acum și colegii mei ne simțim răzbunați”, spune el. „Am studiat acest sistem de stele de neutroni care se ciocnesc într-un set foarte divers de semnale. L-am văzut în unde gravitaționale, în raze gamma, în lumină ultravioletă, în lumină vizibilă și infraroșie,precum și în raze X și unde radio. Aceasta este revoluția și evoluția în astronomie pe care îmi bazasem speranțele în urmă cu 20 de ani."
France Córdova, director al Fundației Naționale pentru Științe, agenția federală care furnizează cea mai mare parte a finanțării LIGO, a declarat că ultima realizare a fost un „moment istoric în știință” și că a fost posibilă prin sprijinul guvernamental susținut și de lungă durată al multor observatoare astrofizice … „Detectarea undelor gravitaționale, de la primul semnal scurt vibroseismic auzit în întreaga lume până la ultimul semnal mai lung, nu numai că justifică investiția riscantă, dar plină de satisfacții de la Fundația Națională pentru Științe, dar ne împinge și spre faceți mai multe în acea direcție, spune Cordova. - Sper că NSF va continua să sprijine inovatorii și inovațiile,care ne va transforma cunoștințele și va inspira generațiile viitoare.
Ce mare oportunitate
Când au fost detectate undele gravitaționale inițiale din fuziune, urmate de razele gamma (detectate imediat de oamenii de știință care folosesc telescopul Fermi și telescoapele spațiale INTEGRAL), o cursă a început să afle care a fost sursa coliziunii în spațiu, precum și lumina ulterioară. Foarte repede, numeroase echipe de oameni de știință au îndreptat telescoapele disponibile către acea parte a cerului unde, conform calculelor cercetătorilor cu LIGO și Fecioară, ar fi trebuit să fie sursa. Era un petec de cer care se întindea pe 31 de grade pătrate, conținând sute de galaxii. (Dacă ar fi folosit doar observatorul LIGO, a spus Kadonati, aceste observații ar fi similare cu căutarea inelului de aur aflat pe fundul Oceanului Pacific. Dar, cu al treilea punct de date de la Fecioară, spune ea, cercetătorii au putut calcula locația sursei.și, ca rezultat, observațiile au devenit mai mult ca „căutarea inelului de aur în Marea Mediterană”.)
Partea principală a observațiilor a fost efectuată de oamenii de știință de la observatoarele chiliene. Ei și-au început munca imediat după apusul soarelui, când partea dorită a cerului a ieșit din orizont. Diferite echipe de oameni de știință au folosit o mare varietate de strategii de căutare. Cineva pur și simplu a efectuat observarea continuă a unei secțiuni a cerului, deplasându-se metodic de la o parte la alta; cineva viza ținta galaxiilor în care stelele de neutroni erau cel mai probabil să se unească. În cele din urmă, a doua strategie sa dovedit a fi una câștigătoare.
Primul care a văzut lumina optică a fost un doctorand și cercetător la Universitatea din California, Santa Cruz, Charles Kilpatrick. S-a așezat la biroul său din biroul său și a privit prin imagini ale unor galaxii, după ce a primit o misiune de la unul dintre colegii săi astronomi Ryan Foley, care a ajutat la organizarea proiectului. A noua imagine pe care a început să o studieze a fost o fotografie, făcută în grabă și transmisă de colegii de cealaltă parte a lumii care lucrau la uriașul telescop Swope de la observatorul Las Campanas din Chile. Pe el a văzut ce căuta toată lumea: un punct albastru strălucitor în centrul unei galaxii eliptice uriașe, care este un grup de stele roșii vechi vechi de 10 miliarde de ani, care erau situate la o distanță de 120 de milioane de ani lumină. Toți erau fără numecu excepția denumirilor din cataloage. Se crede că în astfel de galaxii apar cel mai adesea fuziunile de stele cu neutroni, deoarece sunt vechi, stelele lor au o densitate mare și există destul de puține stele tinere în astfel de galaxii. Comparând această imagine cu imaginile anterioare ale aceleiași galaxii, Kilpatrick nu a văzut un astfel de punct asupra lor. A fost ceva nou, recent. „Mi-a venit foarte încet ce moment istoric este”, își amintește Kilpatrick. „Dar la acea vreme, eram concentrat pe sarcina mea, încercând să lucrez cât mai repede posibil”. Comparând această imagine cu imaginile anterioare ale aceleiași galaxii, Kilpatrick nu a văzut un astfel de punct asupra lor. A fost ceva nou, recent. „Mi-a venit foarte încet ce moment istoric a fost acesta”, își amintește Kilpatrick. „Dar la acea vreme, eram concentrat pe sarcina mea, încercând să lucrez cât mai repede posibil”. Comparând această imagine cu imaginile anterioare ale aceleiași galaxii, Kilpatrick nu a văzut un astfel de punct asupra lor. A fost ceva nou, recent. „Mi-a venit foarte încet ce moment istoric este”, își amintește Kilpatrick. „Dar în acel moment eram concentrat pe sarcina mea, încercând să lucrez cât mai repede posibil”.
Kilpatrick a împărtășit vederea cu alți membri ai echipei sale, inclusiv cu astronomul Carnegie Josh Simon, care a primit rapid o imagine de confirmare cu unul dintre cele mai mari telescoape Magellan din Chile, cu șase metri și jumătate în diametru. Punctul albastru era de asemenea prezent în aceste imagini. Timp de o oră, Simon a măsurat spectrul acestui punct, adică diferitele culori ale luminii emise de acesta. A făcut acest lucru în fotografii împerecheate cu o viteză a declanșatorului de cinci minute. Simon credea că astfel de imagini spectrale ar fi utile pentru cercetări ulterioare. Și dacă nu, atunci în orice caz vor putea dovedi că aceasta nu este doar o supernova obișnuită sau un alt impostor cosmic. Între timp, și alte echipe de oameni de știință au observat acest punct și au început să-l studieze. Dar echipa lui Foley a fost mai rapidă decât alții pentru a găsi confirmarea și a efectua analize spectrale, asigurând conducerea în această descoperire. „Am fost primii care au obținut imaginea și am fost primii care am identificat sursa acelei imagini”, spune Simon. „Și din moment ce am obținut atât rapid cât și primul, am reușit să facem prima analiză spectrală a acestei fuziuni, pe care nimeni din Chile nu a putut să o facă în acea noapte. După aceea, am anunțat descoperirea noastră întregii comunități științifice. "După aceea, am anunțat descoperirea noastră întregii comunități științifice. "După aceea, am anunțat descoperirea noastră întregii comunități științifice."
Aceste prime observații spectrale s-au dovedit a fi extrem de importante pentru analiza ulterioară și soluționarea unor mistere. Au arătat că resturile din fuziune se răcesc rapid și își pierd lumina albastră strălucitoare, care se transformă într-un rubin adânc. Aceste date au fost verificate și confirmate în cursul observațiilor din săptămânile următoare, în timp ce punctul vizibil a dispărut și a dispărut, iar lumina sa ulterioară s-a schimbat, iar lumina strălucitoare a trecut în regiunea infraroșie a spectrului cu o lungime de undă mai mare. Modelele generale de culoare, răcire și expansiune au fost foarte asemănătoare cu ceea ce mulți teoreticieni, lucrând independent unul de celălalt, au prezis anterior. În primul rând, aceștia sunt Brian Metzger de la Columbia University și Dan Kasen de la UC Berkeley.
Pe scurt, explică Metzger, ceea ce au văzut astronomii după această fuziune ar putea fi numit „kilonova”. Este o explozie intensă de lumină din eliberarea și decăderea radioactivă ulterioară a materialului alb-fierbinte, bogat în neutroni, dintr-o stea de neutroni. Pe măsură ce acest material se extinde și se răcește, majoritatea neutronilor săi sunt capturați de nucleele de fier și de alte elemente grele rămase ca cenușă din explozia supernova și formarea unei stele de neutroni. „Acest lucru duce la crearea unor elemente și mai grele în decurs de aproximativ o secundă, când particulele expulzate captează acești neutroni și se extind în spațiu. Una dintre aceste fuziuni formează jumătatea inferioară a tabelului periodic, și anume aurul, platina, uraniul și așa mai departe”, spune Metzger. În etapa finală, lumina din kilonova se mută brusc în zona infraroșie, atunci când neutronii care cad în afară din ejecție formează cele mai grele elemente care absorb lumina vizibilă foarte eficient.
Măsurarea schimbărilor spectrale din corpul kilonova, la rândul său, permite astronomilor să determine numărul diferitelor elemente formate în timpul procesului de fuziune. Edo Berger, care studiază kilonovele la Smithsonian Center for Astrophysics și a condus multe și cele mai ambițioase observații ale acestei fuziuni, spune că evenimentul a produs elemente grele, cântărind 16.000 de mase terestre. „Este totul acolo: aur, platină, uraniu și alte elemente, cele mai ciudate pe care le cunoaștem ca litere pe tabelul periodic, deși nu le cunoaștem numele”, spune el. „În ceea ce privește dezintegrarea, răspunsul exact la această întrebare este încă necunoscut pentru noi.”
Unii teoreticieni sugerează că cantitatea de aur formată ca urmare a fuziunii este doar câteva zecimi din masa pământului. Metzger, la rândul său, consideră că acest număr este egal cu aproximativ 100 de mase terestre. Potrivit acestuia, platina s-a format de trei ori mai mult decât masa pământului, iar uraniul - de 10 ori mai puțin. În orice caz, dacă comparăm noile estimări statistice ale frecvenței unor astfel de fuziuni, pe baza ultimelor măsurători, atunci obținem un număr destul de mare de astfel de evenimente. „Sunt destui pentru a forma și a acumula elementele care formează propriul nostru sistem solar și varietatea de stele pe care le vedem”, spune Metzger. „Pe baza a ceea ce am văzut, aceste fuziuni pot fi explicate în detaliu. Probabil că există și alte modalități de a forma elemente grele, dar se pare căcă nu avem nevoie de ele . Potrivit acestuia, la fiecare 10 mii de ani în Calea Lactee există o singură fuziune de stele cu neutroni.
Frontiere îndepărtate
Mai mult, studierea procesului de fuziune și formare a unei kilonova ne poate oferi informații foarte importante despre modul în care s-a produs coliziunea. De exemplu, lumina de la ejecția inițială după fuziune a fost mai albastră decât se așteptau oamenii de știință. Pe baza acestui fapt, Metzger și alți oameni de știință au ajuns la concluzia că se uită la kilonova dintr-un unghi, nu direct. Pe baza acestui scenariu, ejecția albastră inițială a provenit dintr-un anvelopă sferică sau o bandă ecuatorială de material cu neutroni slabi care a fost suflată spre exterior de la stelele de neutroni la o viteză estimată de 10% din viteza luminii. Emisiile mai târzii și mai roșii ar fi putut proveni de la un material cu un conținut ridicat de neutroni, care a fost evacuat din polii stelelor de neutroni atunci când s-au ciocnit la o viteză de două până la trei ori mai rapidă - ca pasta de dinți.scos din tub.
Dacă comparăm acest scenariu cu date observaționale detaliate în raze X și radio, atunci natura foarte curioasă a emisiei de raze gamma asociată unei astfel de fuziuni devine mai clară. A fost cea mai apropiată explozie de raze gamma înregistrată, dar și una dintre cele mai slabe. Se consideră că exploziile de rază gamma de scurtă durată sunt explozii bipolare de radiații intense care sunt accelerate și expulzate la viteza luminii de câmpurile magnetice din interiorul stelelor de neutroni care se ciocnesc în timp ce acestea fuzionează și se prăbușesc într-o gaură neagră. Dacă te uiți direct la acest fulger de radiație gamma (ochi la ochi, ca să zic așa), va fi foarte luminos. Acest lucru se întâmplă în majoritatea cazurilor de astfel de emisii pe care astronomii le observă în părți îndepărtate ale universului. Dar când priviți aceste explozii de raze gamma dintr-un unghi, acestea par destul de slabe și pot fi detectate doar dacă sunt destul de aproape, în câteva sute de milioane de ani lumină.
Astfel, folosind datele abundente acumulate de astronomia cu unde gravitaționale, oamenii de știință vor putea determina în timp unghiurile de vizualizare a multor kilonov din întreaga parte observabilă a universului și acest lucru le va permite să măsoare mai precis structurile cosmice pe scară largă și să le studieze evoluția. Oamenii de știință vor avea ocazia să descopere acele mistere care sunt mult mai adânci decât originea elementelor grele, să zicem, circumstanța nedumeritoare că universul nu se extinde doar, ci se extinde cu accelerația sub influența unei forțe anti-gravitație pe scară largă cunoscută sub numele de energie întunecată.
Cercetătorii din domeniul cosmologiei speră că vor fi capabili să înțeleagă mai bine energia întunecată măsurând cu precizie impactul acesteia asupra Universului, să urmărească obiecte din regiunile îndepărtate ale Universului, să înțeleagă cât de departe sunt și cât de repede se mișcă în fluxurile accelerate de energie întunecată. Dar pentru aceasta, oamenii de știință au nevoie de „lumânări standard” fiabile, adică de obiecte de o luminozitate cunoscută, care ar putea fi folosite pentru calibrarea acestui câmp imens, cuprinzător, al spațiului-timp. Astrofizicianul Daniel Holz de la Universitatea din Chicago și LIGO a demonstrat cum fuzionarea stelelor de neutroni poate contribui la acest efort. În lucrarea sa, el arată că puterea undelor gravitaționale s-a format în timpul ultimei fuziuni,și, de asemenea, emisiile de kilonova pot fi utilizate pentru a calcula rata de expansiune a celor mai apropiate părți ale Universului. Această metodă este limitată la o singură îmbinare și, prin urmare, are o incertitudine semnificativă în valorile sale, deși confirmă datele privind rata de expansiune obținute cu alte metode. Dar în următorii ani, observatoarele cu unde gravitaționale, precum și telescoapele spațiale și spațiale de nouă generație și dimensiunile mari, vor funcționa împreună, descoperind sute sau chiar mii de coliziuni de stele de neutroni în fiecare an. În acest caz, precizia estimărilor va crește semnificativ.deși confirmă datele privind ratele de expansiune obținute folosind alte metode. Dar în următorii ani, observatoarele cu unde gravitaționale, precum și telescoapele spațiale și spațiale de nouă generație și dimensiunile mari, vor funcționa împreună, descoperind sute sau chiar mii de coliziuni de stele de neutroni în fiecare an. În acest caz, precizia estimărilor va crește semnificativ.deși confirmă datele privind ratele de expansiune obținute folosind alte metode. Dar în următorii ani, observatoarele cu unde gravitaționale, precum și telescoapele spațiale și spațiale de nouă generație și dimensiunile mari, vor funcționa împreună, descoperind sute sau chiar mii de coliziuni de stele de neutroni în fiecare an. În acest caz, precizia estimărilor va crește semnificativ.
„Ce înseamnă toate acestea? Și faptul că măsurătorile undelor gravitaționale din aceste fuziuni, efectuate de LIGO și Fecioară, vor fi completate de modele kilonova, iar apoi oamenii de știință vor putea înțelege care sunt înclinațiile și unghiurile lor de vizualizare, examinând evoluția lor spectrală cu o tranziție de la albastru la roșu. " Acest lucru este afirmat de astrofizicianul Richard O'Shaughnessy de la Institutul de Tehnologie Rochester și un membru al echipei LIGO. „Aceasta este o combinație foarte puternică de eforturi. Dacă cunoaștem înclinația, putem calcula distanța, care va fi foarte utilă pentru cosmologie. Ceea ce s-a făcut acum este un prototip a ceea ce vom face în mod regulat în viitor."
„Dacă vă gândiți la asta, universul este un fel de colizor de particule cosmice, iar particulele din acest colizor sunt stele de neutroni”, spune O'Shaughnessy. - El împinge aceste particule și acum avem ocazia să înțelegem ce iese din asta. Vom vedea un număr mare de astfel de evenimente în următorii ani. Nu știu exact câte vor fi, dar oamenii îi spun deja ploaie cosmică. Acest lucru ne va oferi date reale care ne vor permite să conectăm fire foarte diferite și abrupte de astrofizică, care anterior existau doar în mintea teoreticienilor sau sub formă de informații separate în modele de supercalculatoare. Acest lucru ne va oferi ocazia să înțelegem motivele abundenței elementelor grele din spațiu. Acest lucru ne va oferi oportunități de a studia materia nucleară moale și ușor de comprimat în condiții de densitate enormă. Vom putea măsura rata de expansiune a universului. Aceste eforturi de colaborare vor oferi vaste oportunități pentru astrofizica cu energie ridicată și vor pune multe provocări în deceniile următoare. Și această cooperare se va baza pe investiții pe termen lung. Astăzi culegem roadele unui uriaș munte de aur, a cărui masă este de zeci sau chiar de sute de ori masa Pământului. Acest dar ne-a fost prezentat de Univers”.
Lee Billings este redactor-șef adjunct al Scientific American. El scrie despre spațiu și fizică.
