A LIGO obszervatórium, amelynek alkotói megkapta a 2017. évi Nobel-díjat, már megváltoztatta a csillagászat világát. Amikor a LIGO nemzetközi tudományos közösség tudósai 2016-ban felfedezték az első gravitációs hullámokat, új módszert fedeztek fel az univerzum megfigyelésére. A tudósok először képesek voltak „meghallgatni” a tér-idő ingadozásait, amelyeket nagy tárgyak (például fekete lyukak) ütközése okozott.
De ez még csak a kezdet volt. A cél az volt, hogy a gravitációs hullámok megfigyelését egyesítsék a hagyományosabb távcsövek adataival.
2017 októberében a Physical Review Lettersben a LIGO tudósok csoportja, amely több ezer emberből áll a világ minden tájáról, egy sorozatot tett közzé a hihetetlen felfedezésről. A kutatók nemcsak a két neutroncsillag ütközéséből származó gravitációs hullámokat fedezték fel, hanem az égbolt koordinátáit is meghatározhatták, és optikai és elektromágneses távcsövek segítségével megfigyelhetik a jelenséget.
"Ez az asztrofizikai jelenség egyik legteljesebb története, amely elképzelhető" - mondta Peter Solson, a Syracuse Egyetem fizikusa és a LIGO közösség tagja.
Minden forrás elmondja a történet saját részét
A gravitációs hullámok megmondják a fizikusoknak a tárgyak méretét és távolságát, ami lehetővé teszi számukra, hogy újból létrehozzák a pillanatot, mielőtt összeütköznének. A látható sugárzás és az elektromágneses hullámok megfigyelései kitöltik azokat a hézagokat, amelyeket a gravitációs hullámok nem tudnak megmagyarázni. Segítenek a csillagászoknak megtudni, milyen tárgyakból készültek és milyen kémiai elemek jöttek az ütközésből. A mi esetünkben a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a neutroncsillagok összeolvadásakor fellépő robbanás nehéz elemek - arany, platina és urán - megjelenését eredményezte (amit korábban csak feltételeztek, de a közvetlen megfigyelések nem tudtak megerősíteni).
Most a tudósoknak sikerült saját szemükkel látni a működésben lévő világegyetem alkémiáját. "Úgy gondolom, hogy ennek a felfedezésnek a tudományra gyakorolt hatása jelentősebb lesz, mint a fekete lyukak gravitációs hullámok általi első észlelésekor" - mondta Duncan Brown, a LIGO közösség és a Syracuse Egyetem másik tudósa. "A fizika és a csillagászat sok szempontja érintett itt." És mindez a csillagok közötti kincsvadászat eredménye, amelyben az egész világ részt vesz.
Promóciós videó:
Versenyfutás az idővel. A kereszttel jelölt hely
Augusztus 17-én, 8: 41-kor a LIGO észlelte a Földön áthaladó gravitációs hullámokat - az idő és a tér görbületét. A LIGO két L alakú obszervatórium az Egyesült Államok Louisiana és Washington államában, amelyek olyan hullámokat regisztrálhatnak, amelyek összenyomják és megnyújtják a tér-idő kontinuumot.
Az elmúlt két évben a LIGO képes volt észlelni a fekete lyukak ütközésével generált gravitációs hullámokat. De augusztus 17-én a jel egészen más volt. Kiderült, hogy sokkal erősebb, mint amit a fekete lyuk felfedezésekor rögzítettek. Az új jel 100 másodpercig tartott, míg a fekete lyukakból származó jel csak néhány. Ez azt jelentette, hogy az ütközés sokkal közelebb került a Földhöz.
Amikor a LIGO gravitációs hullámokat észlel, automatikusan értesítést küld a tudósok százai számára a világ minden tájáról. Duncan Brown az egyik. „Nagyon gyorsan megkaptuk a telefonos riasztást, és rájöttünk, hogy ez egy váratlanul erős jel a gravitációs hullámokról. Megdöbbent minket”- emlékszik vissza.
Azonnal világossá vált, hogy ez nem a fekete lyukak egyesülése. A kezdeti elemzés kimutatta, hogy a hullámok két neutroncsillag - azaz nagyon nagy sűrűségű tárgyak - ütközéséből származnak. Úgy gondolják, hogy nehéz kémiai elemek képződnek bennük.
Amikor a LIGO gravitációs hullámokat érzékel az ütköző fekete lyukaktól, akkor semmi nem látható az égen: a fekete lyukak, ahogy a neve is sugallja, sötétek. Mi a helyzet két neutroncsillag ütközésével? A látványnak olyannak kell lennie, mint egy színes tűzijáték.
Sarah Wilkinson / Las Campanas Obszervatórium
És így történt: két másodperccel a LIGO jel után a NASA Fermi űrteleszkópja gamma-sugárcsörgést észlel - az egyik leghatékonyabb robbanóanyag-robbanás az általunk ismert univerzumban. A csillagászok hosszú ideig elméleteket építettek arról, hogy a neutroncsillagok összeolvadása gamma-sugarakást okozhat. És most nem lehetett véletlen.
Ugyanakkor az ilyen robbanásveszélyes fúzióból származó fény gyorsan elhalványul. A gróf percekig folytatódott, és a LIGO nemzetközi tudományos közösség tudósai kénytelenek voltak sietni. "Minél gyorsabban érkezik a távcsőre, annál több információt kap" - mondja Brown. A fény tanulmányozása és annak változása alapján a tudósok rengeteg információt gyűjthetnek, amelyek segítenek jobban megérteni a neutroncsillagokat és azt, hogy miként egyesítik a változás anyagát.
Brown és kollégái elkezdtek dolgozni, telekonferenciákat szervezve tucatnyi tudósgal szerte a világon. A LIGO csapata a VIRGO (olasz gravitációs hullám-megfigyelő intézet) partnereivel együtt dolgozott, hogy kettős erőfeszítéseket tegyen az ég feltérképezésére és a gravitációs hullámok forrásának meghatározására. Kiszűkítették keresésüket egy ököl méretű területre, kar teljes hosszában. (Csillagászati szempontból még ez a terület hatalmas hely is. Egy térképen egy karfahosszúságú gyufaszállal rendelkező galaxisok több ezer galaxist tartalmazhatnak.) Az olaszországi VIRGO-detektor nem tudott felvenni a jelet, ami segített meghatározni a csillagok helyzetét. A VIRGO-nak nincs vételi zónája, ezért a neutroncsillagokat az egyikük közelében kellett elhelyezni.
Ez az égbolt térkép a Fermi, a LIGO, a VIRGO és az Integral (egy másik gammasugár-megfigyelő intézet) információk kombinációjának eredménye. Mindegyik detektor olyan területet biztosított, ahol egy jel felléphet. Ahol átfedtek, a kozmikus kincsek térképen kereszttel jelölt helyet jelöltek.
A térkép segítségével a LIGO csapata e-maileket küldött csillagászoknak szerte a világon, akik éjszakai esés közben felfedezhetik az ég e régióját.
És a szerencse nem adta át őket! Számos földi obszervatórium képes volt észlelni az kilogramm (vagy makrón) helyzetét - ez egy robbanás két neutroncsillag ütközéséből. A bal oldali fénykép azt mutatja, amit az csillagászok elfogtak a nyitó estén. Jobbra nézve nézett ki néhány nappal később. A robbanás észrevehetően tompult.
1M2H / UC Santa Cruz és Carnegie Observatory / Ryan Foley
Így nézett ki a galaxis néhány héttel a kilonova kialakulása előtt (felső kép). Az alsó kép robbanást mutat.
A Dark Energy Camera GW-EM együttműködés és a DES / Berger együttműködés
A képek homályosak lehetnek, de rengeteg információ található róluk. Pontos koordinátákkal a tudósok hangolhatják a Hubble Űrtávcsövet és a Chandra Űrröntgen-megfigyelőközpontot kilonova felrobbantására. Ezen eszközök segítségével a csillagászok képesek lesznek egy szemmel nézni a világegyetem folyamatát.
Hogy hoznak létre aranyat az ütköző neutroncsillagok?
A neutroncsillagok szokatlan kozmikus testek. A csillagok gravitációs összeomlásának eredményeként képződnek (például szupernóva robbanások során), és nagyon nagy sűrűségűek. Képzeljen el egy olyan tárgyat, amelynek tömege hasonló a Naphoz, de csak 25 kilométer átmérőjű. Ez az egész Föld tömegének 333 000 tömege, amelyet egy Moszkva központi kerületének nagyságú golyóba préselnek. A belső nyomás annyira hatalmas, hogy csak neutronok (protonokkal elektronokkal olvadva) létezhetnek ott.
Egy 130 millió fényév távolságban lévő galaxisban két ilyen tárgy "táncoltak" egymás körül, pályán mozogva, egyre közelebb kerülnek egymáshoz. Összeütköztek, és az Univerzumon keresztül kibocsátott energia egy hullámot, amely eltorzítja az időt és a helyet, és a részecskék áramlását (a gamma-sugárkitörést a gravitációs hullámok mellett észlelték). Mind a gravitációs hullámok, mind a gamma-sugarak a fénysebességgel haladtak. Ez egy újabb bizonyítéka Albert Einstein általános relativitáselméletének. Lehetséges, hogy az egyesülés után a neutroncsillagok új fekete lyukat képeztek, mivel elegendő tömegűek voltak. Az egyértelmű nyilatkozathoz azonban még nincs elegendő információ.
V. Castown / Kawamura T. / Giacomazzo / Cholfi R. / Endrzzi A.
De egy dolog már biztosan elmondható: a robbanás után a fennmaradó neutronok közül sok összeállt és kémiai elemeket képez.
Mindannyian és minden elem a Földön csillagokból készül. A nagy robbanás eredményeként az idő elején nagyon könnyű elemek képződtek - hidrogén és hélium. Ezek az elemek csillagokká alakulnak, amelyekben a fúziós reakciók során nagyobb és nagyobb tömegű elemek jelentek meg.
Amikor a csillagok szupernóvá váltak (összeomlás és az azt követő robbanás), még nehezebb elemek jöttek létre. Brown szerint azonban az arany és a platina megjelenése régóta rejtély. Még a szupernóva-robbanások sem elég erősek ahhoz, hogy létrehozzák.
Vannak elméletek, hogy egy kilon csillag (két neutroncsillag összeolvadásával) képes előállítani ezeket a fémeket. Mivel a csillagászok időben meg tudták határozni az összeolvadás helyét, megerősítették ezt az elméletet. A robbanás után maradt fény színe és minősége megerősítette az arany és a platina képződését. Úgy tűnt, hogy a tudósok figyelték meg az alkímiát.
"Az arany a földön egyszer jött létre egy [neutroncsillagok] fúziójából származó nukleáris robbanás után" - magyarázza Brown. - Most van egy platina jegygyűrű az ujjamban. Gondolj csak, a neutroncsillagok ütközése miatt jelent meg!"
A csillagászat új korszaka jön
A leírt felfedezés a csillagászat új korszakának kezdetét jelzi. A tudósok nem csak az általuk kibocsátott fény és sugárzás segítségével tanulmányozhatják az égitesteket, hanem kombinálhatják ezeket a megfigyeléseket a gravitációs hullámok elemzése során kapott információkkal is. Ez az információ tartalmazza a két neutroncsillag mozgását egymás körül, amikor az ütközés megtörtént, valamint egy hatalmas információs információt annak következményeiről.
Jobb oldalon - a neutroncsillagok anyagának megjelenítése. Bal oldalon - a téridő torzulása robbanások közelében. Karan Janey / Grúzia Technológiai Intézet
Az összes információforrás kombinációját többcsatornás csillagászatnak nevezzük, azaz olyan csillagászatot, amely az elektromágneses spektrum megfigyeléseinek és a gravitációs hullám megfigyeléseknek a hozzáadására épül. Ez volt a LIGO tudósok álma az obszervatórium megalapítása óta.
„Képzelje el, hogy ablakos szobában él, és minden, amit tehet, csak mennydörgést hall, de nem lát villámot” - magyarázza Vicki Kalogera, az északnyugati egyetem asztrofizikusa és a LIGO közösség tagja. - Képzelje el, hogy ablakos szobába költözött. Mostantól nem csak mennydörgést hall, hanem villámlást is lát. A villám teljesen új lehetőséget kínál a zivatarok tanulmányozására és a valóban történõ megértésre."
A gravitációs hullámok mennydörgés alatt állnak. Robbanások megfigyelése távcsövön keresztül - villámlás.
Alig egy hónappal ezelőtt a LIGO három alapítója úttörő munkájáért fizikai Nobel-díjat kapott. Amint Ed Young az Atlanti-óceánból megfigyelte, a díj odaítélése azon százból három közül, akik jelentős mértékben hozzájárultak a LIGO projekthez, kínos és ellentmondásos helyzetet teremt. A legfrissebb eredmények azonban azt mutatják, hogy a tudományos munka díját megérdemelték.
A gravitációs hullámok megfigyelésekor az a legjobb, ha a folyamat passzív. A LIGO és a VIRGO ugyanazon a napon "meghallja" a Földön áthaladó gravitációs hullámokat. Minden jel jelzi a "kincsek" új keresésének kezdetét, mert a tudósoknak meg kell érteniük, mi okozta a tér-idő ingadozásait.
A csillagászok azt remélik, hogy mind a fekete lyukak, mind a neutroncsillagok összeolvadnak. De még érdekesebb jelenségeket fedezhetünk fel. Ha a LIGO és a VIRGO obszervatóriumok tovább fejlődnek, akkor esély van arra, hogy észleljék a Nagyrobbanásból megmaradt gravitációs hullámokat. Vagy ami még izgalmasabb, ezek a csillagvizsgálók képesek lesznek felismerni a korábban ismeretlen gravitációs hullámok forrásait, amelyek nem voltak képesek megjósolni.
„Szomorú voltam, hogy az első, emberre történő holdi leszállás után születtem” - mondta Thomas Corbitt, a fizikus és a LIGO közösség tagja a Louisina Állami Egyetemen. - De amikor az ilyen események tanújává válik, amelyek bizonyítják a közös tevékenységek nagy sikerét, megjelenik az inspiráció. Több tudást adnak nekünk az univerzumról."
Az eredeti angol nyelvű cikk itt érhető el.