Gravitasjonsbølge Astronomer Hit Mother Lode


rom

Kunstnerens illustrasjon av to fusjonerende nøytronstjerner. Det rippende tidsromet representerer gravitasjonsbølger som reiser ut fra kollisjonen, mens de smale bjelkene viser utbrudd av gammastråler utvist bare sekunder etter gravitasjonsbølgene. Utstrålede skyer av glødende, nøytronrikt materiale virvler rundt de fusjonerende stjernene. Usher

Kunstnerens illustrasjon av to fusjonerende nøytronstjerner. Det rippende tidsromet representerer gravitasjonsbølger som reiser ut fra kollisjonen, mens de smale bjelkene viser utbrudd av gammastråler utvist bare sekunder etter gravitasjonsbølgene. Utstrålede skyer av glødende, nøytronrikt materiale virvler rundt de fusjonerende stjernene.

Ushering i begynnelsen av en ny epoke i astronomi og fysikk, kunngjorde forskere på mandag at de for første gang har oppdaget tidsromet ripples kjent som gravitasjonsbølger fra kollisjonen av to nøytronstjerner. Strømmer fra himmelen over Det indiske hav 17. august registrerte bølgene seg på tvillingoppdagelsesstasjonene i det amerikanske baserte Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), samt en europeisk detektor kalt Virgo som ligger i Italia. Dette er den femte gangen i de siste to årene som forskere har bekreftet å spotte slike bølger, et fenomen som Einstein først spådde for over et århundre siden - og det førte til årets Nobelpris i fysikk for tre av LIGOs ledere.

Alle de tidligere oppdagede gravitasjonsbølgene kom imidlertid fra sammenslåing av par sorte hull. Disse objektene er så tette at lyset ikke kan unnslippe sin forståelse, noe som gjør slike fusjoner i det vesentlige usynlige for normale teleskoper til tross for de mektige gravitasjonsbølgene de genererer i de siste øyeblikkene av deres utrolig voldelige dødspiraler. Uten et mye større nettverk av gravitasjonsbølgeobservatorier, kan astronomer ikke knuse de nøyaktige stedene for sammenslåing av svarte hull, enda mindre dypt undersøke dem.

Men nøytron-stjernefusjoner begynner med objekter som i sammenligning med svarte hull kan være fjærvekter. En nøytronstjerne er den svært komprimerte kjerne av en utgått massiv stjerne, og er dannet i etterkant av en supernova-eksplosjon. Dens tyngdefelt er sterkt nok til å klemme og bryte ned en hel sols saksverdi til en bystørrelse av neutroner, noe som gjør det mindre en sann "stjerne" og mer en atomkjerne så stor som Manhattan. Men en nøytronstjernes tyngdekraft er fortsatt for svak til å fange lys. Så blitsen fra to av dem som slår sammen kan flykte inn i kosmos, og produserer ikke bare gravitasjonsbølger, men også et av universets mest strålende fyrverkeriskjermbilder for alle som bryr seg om å se.

I dette tilfellet besto "fyrverkeri" av en to-sekunds lang gamma-stråle burst (GRB) etterfulgt av en ukes lang, bølgelengde etterglød og "Noen" viste seg å være nesten alle astronomer og fysikere på jorden som hadde funnet ut om hendelsen. Julie McEnery, prosjektforsker for Fermi Gamma-Ray Space Telescope, som oppdaget GRB, kalte 17. august "den mest spennende morgenen til det niårige Fermi-oppdraget."

Astronomene som jobbet med LIGO og Jomfru fysikere, hadde blitt svoret til hemmelighold. Men det store volumet av oppfølgingsobservasjoner rundt om i verden utgjorde uunngåelig offentlige rykter, nå bekreftet, om en global kampanje for å spore kollisjonen og dens etterspørsel. Den resulterende vanvidd av nye observasjoner og teorier er det mest potente eksemplet, men likevel av "multi messenger" astronomi, et fremvoksende felt hvor lys, gravitasjonsbølger og subatomære partikler utstrålet fra astrofysiske kataklyser samles og studeres sammen.

I en overveldende mammut serie av papirer som publiseres samtidig over flere tidsskrifter, kobler forskere den siste hendelsen til et stort spekter av fenomener og gir ny innsikt på alt fra grunnleggende kjernefysikk til universums store evolusjon. Fusjonen ga blant annet observatører til et forreste sete ved fødselen av et svart hull, som de kolliderende nøytronstjernene sannsynligvis produserte. Oppdagelsen som mest glitter, er imidlertid rykspistolbevis for at neutronstjernefusjoner - i stedet for supernova-runder - er de kosmiske cruciblene som smi universets store elementer: stoffer som uran, platina og gull.

Så det ser ut som om den radioaktive bunken i en atomreaktor, katalytisk omformer i bilen din og ja det edle metalet i bryllupet ditt, alle kommer fra de ødelagte innards av universets minste, tetteste og mest eksotiske stjerner - eller i det minste uansett brøkdel kan unnslippe uten å falle i en fusjon som resulterer i svart hull. Resultatet kunne løse en pågående debatt om den kosmiske opprinnelsen til tunge elementer som har besatt teoretikere i mer enn et halvt århundre. Størstedelen av universets hydrogen og helium ble produsert i de første øyeblikkene etter big bang, og de fleste av de lettere elementene - oksygen, karbon, nitrogen og så videre - ble dannet fra atomfusjon i stjerner. Men opprinnelsen til de tyngste elementene hadde vært et svingende spørsmål til nå.

"Vi har truffet morloden!" Sier Laura Cadonati, en astrofysiker ved Georgia Institute of Technology og LIGOs nestleder. "Dette er virkelig første gang vi har en multi-messenger deteksjon av en enkelt astrofysisk hendelse, hvor gravitasjonsbølger forteller oss historien om hva som skjedde før katastrofen og de elektromagnetiske utslippene forteller oss hva som skjedde etter." Selv om det for øyeblikket er ufattelig, Cadonati sier at analyser av hendelsens gravitasjonsbølger kunne etter hvert avsløre detaljer om hvor viktig "sloshes around" i nøytronstjerner når de smelter sammen og gir forskere en ny måte å studere disse bisarre gjenstandene på og lære hvor stor de kan få før de kollapser inn i et svart hull . Tilsvarende, Cadonati notater, det var et mystisk gap på omtrent to sekunder mellom slutten av gravitasjonsbølgetrykket og begynnelsen av GRB-et intervall, kanskje, hvor den strukturelle integriteten til de kombinerte nøytronstjernene kort motstod det uunngåelige fallet .

For mange forskere har gjennombruddet kommet lang tid. "Min drøm er blitt til virkelighet, " sier Szabolcs Marka, et astrofysiker og LIGO-teammedlem ved Columbia University, som var en tidlig fortaler for multi-messenger astronomi i slutten av 1990-tallet. Senere husker han at han ble sett på som "den galne fyren" som forsøkte å forberede seg på oppfølgingsobservasjoner på gravitasjonsbølger - et fenomen som da fortsatt var tiår unna direkte deteksjon. "Nå, jeg og andre føler seg rettslig, " sier Marka. "Vi har studert dette systemet for å kollidere nøytronstjerner i et meget variert sett med budbringere. Vi har sett det i gravitasjonsbølger, i gammastråler, i ultrafiolett, synlig og infrarødt lys, og i røntgenstråler og radiobølger. ... Dette er revolusjonen - evolusjonen av astronomi som jeg først håpet på for 20 år siden. "

France Córdova, direktør for National Science Foundation, eller NSF (USAs føderale byrå som leverte hoveddelen av LIGOs finansiering), kaller observatoriets siste prestasjon et "historisk øyeblikk i vitenskap" som ikke kunne ha kommet uten flere tiår med vedvarende statsstøtte til en rekke astrofysiske observatorier. "Deteksjon av gravitasjonsbølger, fra den første korte plassen hørt rundt om i verden til dette siste, lengre chirp, bekrefter ikke bare typen av høyrisiko, høy belønning investeringer som NSF lager, men sporer oss også for å gjøre mer, Sier Córdova. "Mitt håp er at NSF vil fortsette å støtte innovatører og innovasjoner som vil forvandle kunnskap, og inspirere mange generasjoner som kommer."

Den gylne muligheten

Etter den første registreringen av fusjonenes gravitasjonsbølger og den etterfølgende GRB (den sistnevnte ble umiddelbart observert av Fermi og Integral space telescopes), var rase på for å finne kollisjonens kilde - og forhåpentligvis dens etterglød i himmelen. I løpet av flere timer hadde flere lag marshalerte tilgjengelige teleskoper å stirre i regionen der LIGOs og Virgo forskere hadde beregnet kilden må være: en himmelskrute som spenner over 31 kvadrat grader og inneholder hundrevis av galakser. (Ved hjelp av LIGO alene, sier Cadonati, at søket ville ha vært som "å se etter glimmer av en gullring i Stillehavet." Med tillegg av et tredje datapunkt fra Virgo, sier hun, at forskerne kunne riktig triangulere kildens posisjon, reduserer søket til noe mer som å søke "en gullring et sted i Middelhavet.")

Hovedparten av observasjonene fant sted på observatorier i Chile så snart solen hadde satt, og den avgjørende skyen skyvde opp over horisonten, med forskjellige lag vedta et utvalg av søkestrategier. Noen bare "flislagt" regionen med observasjoner, flyttet metodisk fra den ene siden til den andre; andre målrettede undergrupper av galakser som teorier foreslo ville mest sannsynlig være vert for en nøytronstjernefusjon. I kort rekkefølge vant strategien ut.

Først for å se den optiske ettergløden var Charles Kilpatrick, en postdoktoral forsker ved University of California, Santa Cruz. Han satt på skrivebordet sitt og sorterte gjennom bilder av utvalgte galakser på vegne av en av hans kollegaer på Santa Cruz, astronomen Ryan Foley, som hadde hjulpet organisert kampanjen. I det niende bildet han undersøkte, ble raskt tatt og overført av kollegaer en halv verden borte ved hjelp av det meterbaserte Swope Telescope ved Las Campanas observatorium i Chile, så han det: en lyseblå prikk innebygd i en gigantisk elliptisk galakse, en 10 milliarder -år gamle sværm av gamle, røde stjerner om lag 120 millioner lysår unna, navnløs lagre for katalogbetegnelser. Slike galakser antas å være de viktigste kosmiske hjem for neutronstjernefusjoner på grunn av deres avanserte alder, stjernetetthet og relativ mangel på nylig stjernedannelse. En side-by-side sammenligning med tidligere bilder av den samme galaksen viste ingen slik prikk; det var noe nytt og nylig. "Det oppstod meg veldig sakte, hvilken enestående anledning dette var, " Kilpatrick husker, "men jeg hadde tunnelsyn på den tiden, bare prøvde å jobbe så fort som mulig."

Kilpatrick varslet andre lagmedlemmer, inkludert Josh Simon, en karnegie observatories astronom som raskt fikk et bekreftelsesbilde med en av de større 6, 5 meter tvilling Magellan teleskopene i Chile. Den blå prikken var der også. I løpet av en time fulgte Simon opp ved å måle prikkets spektrum - de forskjellige farger av lys det utgitt - i løpet av fem minutters eksponering. Disse spektrene kan vise seg nyttige for videre studier, han begrunnet - eller hvis ingenting annet de kunne tjene for å sikre at blipet ikke var en vanlig supernova eller en annen kosmisk bedragere. I mellomtiden hadde andre lag spottet prikken og var involvert i oppfølging av sine egne. Den raske bekreftelsen og spektrene fra Foleys lag, klarte imidlertid provenu for dem. "Vi hadde det første bildet av dette, og vi har den første identifiseringen av kilden i dette bildet, " sier Simon. "Fordi vi fikk begge disse så tidlig, kunne vi også få det første spekteret for denne fusjonen - som ingen andre i Chile var i stand til å gjøre den første natten - og så utstedte vi den første kunngjøringen til resten av samfunnet .”

Disse tidlige spektrale observasjonene viste seg å være viktige for etterfølgende analyse og å løse flere mysterier. De viste at fusjonenes rester nesten raskt avkjølte, fading fra en strålende safirblå til en svak rubin i himmelen. Disse avlesningene ble verifisert i løpet av de neste ukers observasjonene da den synlige prikken ble bleknet, dens etterglød skiftende og toppet i kjøligere infrarødt lys med lengre bølgelengde. Det generelle mønsteret av farger, kjøling og ekspansjon henger nær det som ble spådd år tidligere av en rekke teoretikere som arbeider uavhengig av hverandre, spesielt Brian Metzger fra Columbia University og Dan Kasen fra University of California, Berkeley.

Kort sagt, forklarer Metzger, hva astronomer har sett fra fusjonens etterdyning, noe som kalles "kilonova": en intens utbrudd av lysstyrke skapt av ejektion og radioaktivt henfall av hvitt, nøytronrikt materiale fra nøytronstjernene. Etter hvert som materialet utvides og avkjøles, blir de fleste av nøytronene fanget av jernkjernene og andre tunge elementer igjen som aske fra nøytronstjernens formative supernova-eksplosjon, noe som skaper enda tyngre elementer. "I løpet av omtrent et sekund, da ejectaen fanger disse nøytronene og ekspanderer gjennom rommet, vil en av disse fusjonene danne den nedre halvdelen av det periodiske bordet gull, platina, uran og så videre, sier Metzger. I nærheten av sin konklusjon, skifter kilonovas lys dramatisk til infrarødt som nøytronene som strekker seg gjennom ejectaene, forfalske de tyngste elementene, som effektivt absorberer synlig lys.

Måling av kilonovas spektralutvikling gjør at astronomene i sin tur kan estimere mengden forskjellige elementer det har produsert. Edo Berger, som studerer kilonovae ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics og overvåker mange av de mest ambisiøse oppfølgingsobservasjonene av fusjonen, produserte begivenheten rundt 16.000 jordmasser verdt av tunge elementer. "Det er alt-gull og platina og uran, så vel som alle de rare de du ser, bare som brev på det periodiske bordet og ikke kjenner navnene sine, " sier han. "Når det gjelder sammenbrudd? For det tror jeg ikke vi har eksakte svar ennå. "

Noen teoretikere har antydet at bare noen få titalls jordmasser gull ble gjort i fusjonen. Metzger, for sin del, peker fusjonens gullproduksjon på omtrent 100 jordmasser, med omtrent tre ganger mer platina og 10 ganger mindre uran. I alle sammenhenger, når du er parret med oppdaterte statistiske estimater av hvor ofte disse sammenslåingene må skje, delvis basert på den siste gjenkjenningen, får du en høy nok sats per galakse per år for å bygge opp elementene som danner vårt eget solsystem og overflod vi ser i andre stjerner, sier Metzger. "Alt det vi ser, kan du forklare gjennom disse fusjonene. Det kan være andre måter å lage tunge elementer på, men du ser ikke ut til å trenge dem. "I gjennomsnitt sier han at det bare skjer en nøytronstjernefusjon i Melkveien hvert 10.000 år.

The Far Frontier

I tillegg studerer nøyaktig hvordan en fusjon kilonova utvikler kan formidle viktig informasjon om hvordan kollisjonen utviklet seg. For eksempel var lyset fra denne fusjonens innledende utslipp blåere enn forventet, noe som tyder på at Metzger og andre var kilonovaen sett i en vinkel i stedet for på ansiktet. I dette scenariet vil den tidlige blåemisjonen komme fra et sfærisk skall eller ekvatorialbånd av relativt nøytronfattig materiale som blåses ut fra nøytronstjernene ved kanskje 10 prosent lyshastighet. Den senere redderemisjonen ville komme fra meget nøytronrikt materiale utløst ved to til tre ganger høyere hastigheter fra neutronstjernenes poler da de kolliderte, som tannkrem sprutet fra et rør.

Sammenlignet med detaljerte røntgen- og radioobservasjoner, hjelper dette scenariet til å forklare den nysgjerrige karakteren av gammastråleskuddet som er forbundet med fusjonen, den nærmeste GRB som er sett, men også en av de svakeste. Korte GRBs antas å være bipolære stråler med intens stråling spunnet opp og utkastes ved nesten lyshastighet ved å kaste magnetfelt i kolliderende nøytronstjerner når de samler seg og faller sammen i et svart hull. Sett ansikt-på-ned tønnen av GRB pistolen, så å si-de er ekstremt lyse. Dette er tilfellet med flertallet av slike utbrudd som astronomer vitner i det fjerne universet. Men hvis de er skråstilt eller tilbøyelig fra vårt perspektiv, vil de virke ganske svake og bare kunne oppdages hvis de var relativt tette, innen flere hundre millioner lysår.

Ved hjelp av det vell av data som er tilgjengelig fra multi-messenger-astronomi, kan astronomer etter hvert bestemme visningsvinklene til mange kilonovaer gjennom det observerbare universet, noe som gjør hver enkelt til en mer sterk markør for måling av storskala kosmisk struktur og evolusjon. Dette kan tillate at forskere bedre konfronterer et mysterium som sannsynligvis er dypere enn opprinnelsen til de tunge elementene: det forbløffende faktum at universet ikke bare utvider seg, men akselererer i stadig større grad under påvirkning av en slags kosmos-spenner mot anti- tyngdekraften kjent som mørk energi.

Kosmologer håper å bedre forstå mørk energi ved å nøyaktig måle dens effekt på universet, spore objekter i stadig mer fjerntliggende univers i universet for å se hvor langt unna de er, og hvor fort de beveger seg, fanget opp i mørk energis akselererende strømning . Men for å gjøre dette trenger de pålitelige "standard stearinlys" -objekter med kjent lysstyrke som kan brukes til å kalibrere denne store, omfattende visningen av tidsrom. Daniel Holz, en astrofysiker og LIGO-samarbeidspartner ved University of Chicago, har vist hvordan sammenslåing av nøytronstjerner kan bidra til denne innsatsen. Hans arbeid viser styrken til denne siste fusjonens gravitasjonsbølger, og utslippene av sin kilonova kan brukes til å beregne det lokale universets ekspansjonshastighet. Begrenset til bare en fusjon, gir teknikken en verdi med betydelig usikkerhet, om enn i ballpark av ekspansjonshastigheten oppnådd fra andre metoder. Men i de kommende årene, som gravitasjonsbølgeobservatorier og en ny generasjon store teleskoper på bakken og i rommet samarbeider for å identifisere hundrevis eller til og med tusenvis av neutronstjernekollisjoner per år, vil disse estimatene bli markant bedre.

"Alt dette betyr at gravitasjonsbølgene fra disse fusjonene målt av LIGO og Virgo er komplementære med modellering av kilonovae som antyder deres tilbøyelighet, deres synsvinkel, ved deres spektrale evolusjon fra blått til rødt", sier Richard O'Shaughnessy, en astrofysiker og LIGO-medarbeider ved Rochester Institute of Technology. "Det er en kraftig synergi. Hvis vi kjenner tilbakegangen, kan vi kjenne avstanden, og det hjelper oss med kosmologi. Det som er gjort her er en prototype for hva vi skal gjøre regelmessig i fremtiden. "

"Hvis du tenker på det, er universet en slags kosmisk partikkelkollider, med nøytronstjerner som partiklene, sier O'Shaughnessy. "Det kaster dem sammen, og vi har nå muligheten til å se hva som kommer ut. Vi kommer til å se så mange av disse i de kommende årene - hvor mange kan jeg ikke fortelle deg, men folk beskriver det allerede som et "regn". Denne hendelsen er en Rosetta-stein, noe som gir oss ekte data for å forbinde ulik tråder av astrofysikk som tidligere bare eksisterte i teoretiske tanker eller som biter i en supercomputer-simulering. Det lar oss forstå den kosmiske overflod av tunge elementer. Det gir oss mulighet til å teste kjernefrekvensen av kjernefysiske stoffer ved ekstreme tettheter. Det tillater oss å måle utvidelsen av universet. Disse synergiene satte dagsorden for alle høy-energi astrofysikk i flere tiår framover, og er bygget på flere tiår med investering. Vi høster nå belønningen, et fjell med gull 10 eller hundre ganger jordens masse, som universet bare ga oss. "

"Jesu evangeliums ektemann" vist å være ekte i testSecretive Bezos-Funded Group avslører Spacecraft Plan DetaljerGiant Antarctic Ice Shelf Crack truer med å bli et massivt isbergHurtigvoksende hav som er satt for å frigjøre varme inn i atmosfærenNye EPA-bensinregler hjelper presidentens klimagruppeVellykket malariavaksine viser også effektive hos spedbarnForskere lager ny solcelle4 nye innovasjoner for å energisere verden