LIGO-observatoriet, hvis skabere modtog Nobelprisen 2017, har allerede ændret astronomiens verden. Da forskere fra det internationale videnskabelige samfund LIGO opdagede de første tyngdekraftsbølger i 2016, opdagede de en ny måde at observere universet på. For første gang var videnskabsmænd i stand til at "lytte" til udsving i rumtiden, der opstod ved kollisionen mellem store genstande (for eksempel sorte huller).
Men det var bare begyndelsen. Målet var at kombinere observation af gravitationsbølger med data fra mere konventionelle teleskoper.
I oktober 2017, i Physical Review Letters, offentliggjorde LIGO-forskerne, der inkluderer flere tusinde mennesker over hele verden, en række artikler om den utrolige opdagelse. Forskerne var ikke kun i stand til at registrere gravitationsbølger fra kollisionen mellem to neutronstjerner, men også til at bestemme deres koordinater på himlen samt observere fænomenet gennem optiske og elektromagnetiske teleskoper.
”Dette er en af de mest komplette historier om et astrofysisk fænomen, man kan forestille sig,” siger fysiker Peter Solson fra Syracuse University og et medlem af LIGO-samfundet.
Hver kilde fortæller sin egen del af historien
Tyngdekraftsbølger fortæller fysikernes genstands størrelse og afstand, hvilket giver dem mulighed for at genskabe øjeblikket, før de kolliderer. Observationer af synlig stråling og elektromagnetiske bølger udfylder derefter hullerne, som tyngdekraftsbølger ikke kan forklare. De hjælper astronomer med at finde ud af, hvad genstande var lavet af, og hvilke kemiske elementer kom fra kollisionen. I vores tilfælde var videnskabsmænd i stand til at konkludere, at eksplosionen under fusionen af neutronstjerner førte til udseendet af tunge elementer - guld, platin og uran (som tidligere kun blev antaget, men ikke kunne bekræftes ved direkte observation).
Nu har forskere formået at se med deres egne øjne universets alkymi i aktion.”Jeg tror, at denne opdagelses indvirkning på videnskaben vil være mere markant end den første påvisning af sorte huller gennem tyngdepunktbølger,” sagde Duncan Brown, en anden videnskabsmand fra LIGO-samfundet og Syracuse University. "Mange aspekter af fysik og astronomi er involveret her." Og alt dette er resultatet af en skattejagt blandt stjernerne, hvor hele verden er involveret.
Salgsfremmende video:
Race mod tiden. Sted markeret med et kors
Den 17. august kl. 08:41 opdagede LIGO tyngdekraftsbølger - tidens og rumets krumning - der passerede gennem Jorden. LIGO er to L-formede observatorier i de amerikanske stater Louisiana og Washington. De kan registrere bølger, der komprimerer og strækker rumtidskontinuummet.
I løbet af de sidste to år har LIGO været i stand til at registrere gravitationsbølger, der er genereret ved at kollidere sorte huller. Men signalet den 17. august var ganske anderledes. Det viste sig at være meget stærkere end hvad der blev registreret, da det sorte hul blev opdaget. Det nye signal varede 100 sekunder, mens signalerne fra sorte huller kun var få. Dette betød, at kollisionen fandt sted meget tættere på Jorden.
Når LIGO registrerer tyngdekraftsbølger, sender den automatisk meddelelser til hundreder af videnskabsmænd over hele verden. Duncan Brown er en af dem.”Vi modtog en telefonalarm meget hurtigt og indså, at dette var et uventet stærkt signal om gravitationsbølger. Det chokerede os,”minder han om.
Det blev øjeblikkeligt klart, at dette ikke var en fusion af sorte huller. Den første analyse viste, at bølgerne stammede fra kollisionen mellem to neutronstjerner - objekter med meget høj densitet. Det antages, at der dannes tunge kemiske elementer inde i dem.
Når LIGO registrerer tyngdekraftsbølger fra sammenstødende sorte huller, kan der ikke ses noget i himlen: sorte huller, som deres navn antyder, er mørke. Hvad med en kollision mellem to neutronstjerner? Brillerne skal være som et farverigt fyrværkeri.
Sarah Wilkinson / Las Campanas Observatorium
Og så skete det: to sekunder efter LIGO-signalet opdagede NASAs Fermi-rumteleskop et gammastråle-udbrud - et af de mest kraftfulde udbrud af eksplosiv energi i det univers, vi kender. I lang tid har astronomer bygget teorier om, at fusion af neutronstjerner kan forårsage gammastråler. Og nu kunne det ikke være en tilfældighed.
På samme tid dæmpes lyset fra en sådan eksplosiv fusion hurtigt. Tællingen gik i minutter, og forskere fra det internationale videnskabelige samfund LIGO blev tvunget til at skynde sig.”Jo hurtigere du kommer til teleskopet, jo mere information får du,” siger Brown. Fra at studere lys, og hvordan det ændrer sig, kan forskere hente et væld af information, der vil hjælpe dem med bedre at forstå neutronstjerner og hvordan de fletter sammen ændringsstof.
Brown og hans kolleger kom på arbejde og organiserede telekonferencer med snesevis af videnskabsfolk over hele verden. LIGO-teamet arbejdede med partnere fra VIRGO, et italiensk observationscenter for gravitationsbølger, for at arbejde med en fordoblet indsats for at kortlægge himlen og finde kilden til tyngdekraftsbølgerne. De indsnævrede deres søgning ned til et knytnævestørrelsesområde i armlengdes længde. (Fra et astronomisk synspunkt er endda denne region et enormt rum. Et område på et kort med et matchhoved i armlængden kan indeholde tusinder af galakser.) VIRGO-detektoren i Italien tog ikke signalet op, hvilket hjalp med at bestemme stjernenes placering. VIRGO har zoner uden modtagelse, derfor burde neutronstjernerne have været placeret i nærheden af en af dem.
Dette himmelkort er resultatet af at kombinere information fra Fermi, LIGO, VIRGO og Integral (et andet gammastråleobservatorium). Hver detektor tilvejebragte et område, hvor et signal kunne forekomme. Hvor de overlappede, blev stedet markeret med et kors på kortet af kosmiske skatte angivet.
Kort i hånden sendte LIGO-teamet e-mails til astronomer over hele verden, der kunne udforske denne himmelregion, når natten faldt.
Og held kom ikke forbi dem! Flere jordbaserede observatorier var i stand til at registrere positionen for kilonen (eller makronen) - en eksplosion fra kollisionen mellem to neutronstjerner. Billedet til venstre viser, hvad astronomerne fangede på åbningsaftenen. Til højre så det ud et par dage senere. Eksplosionen dæmpede mærkbart.
1M2H / UC Santa Cruz og Carnegie Observatory / Ryan Foley
Sådan så galaksen et par uger før dannelsen af kilonova (øverste billede). Det nederste billede viser en eksplosion.
Dark Energy Camera GW-EM-samarbejde og DES / Berger-samarbejdet
Billeder kan virke uklar, men der er masser af oplysninger om dem. Med præcise koordinater kan forskere indstille Hubble-rumteleskopet og Chandra Space X-ray Observatory til at eksplodere en kilonova. Ved hjælp af disse værktøjer vil astronomer være i stand til at se på universets proces med det ene øje.
Hvordan kolliderende neutronstjerner skaber guld
Neutronstjerner er usædvanlige kosmiske kroppe. De er dannet som et resultat af stjernernes gravitationskollaps (for eksempel under supernovaeksplosioner) og har en meget høj densitet. Forestil dig et objekt med en masse som Solen, men kun 25 kilometer i diameter. Dette er 333.000 masser af hele Jorden, der er komprimeret til en kugle på størrelse med det centrale distrikt i Moskva. Trykket indeni er så stort, at der kun kan findes neutroner (protoner smeltet med elektroner) der.
I en galakse, der er 130 millioner lysår væk, dansede to sådanne genstande omkring hinanden, bevægede sig i kredsløb og kom nærmere og nærmere. De kolliderede, og den frigjorte energi gennem universet sendte en bølge, der forvrænger tid og rum, og en strøm af partikler (en gamma-ray burst opdaget sammen med gravitationsbølger). Både gravitationsbølger og gammastråler rejste med lysets hastighed. Dette er et andet bevis på Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Det er muligt, at neutronstjernerne efter fusionen dannede et nyt sort hul, da de havde tilstrækkelig masse. Der er dog ikke nok oplysninger endnu til en entydig erklæring.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Men en ting kan allerede siges med sikkerhed: Efter eksplosionen kombinerede mange af de resterende neutroner og dannede kemiske elementer.
Alle af os og ethvert element på Jorden er lavet af stjerner. Som et resultat af Big Bang i begyndelsen af tiden blev der dannet meget lette elementer - brint og helium. Disse elementer kombinerede for at danne stjerner, indeni hvilke elementer med større og større masser under fusionsreaktioner optrådte.
Da stjerner gik supernova (kollaps og efterfølgende eksplosion) blev der skabt endnu tungere elementer. Ifølge Brown har udseendet af guld og platin imidlertid længe været et mysterium. Selv supernovaeksplosioner er ikke kraftige nok til at skabe dem.
Der har været teorier om, at en kilostjerne (dannet ved fusion af to neutronstjerner) er i stand til at fremstille disse metaller. Og da astronomerne var i stand til i rette tid at bestemme stedet, hvor fusionen fandt sted, bekræftede de denne teori. Farven og kvaliteten af det lys, der blev efterladt efter eksplosionen, bekræftede dannelsen af guld og platin. Forskere syntes at have set alchemi i aktion.
”Guld på jorden blev en gang skabt efter en atomeksplosion fra en fusion [af neutronstjerner],” forklarer Brown. - Nu har jeg en platin-vielsesring på min finger. Bare forestil dig, det syntes på grund af kollisionen mellem neutronstjerner!"
En ny æra inden for astronomi kommer
Den beskrevne opdagelse markerer begyndelsen på en ny æra i astronomi. Forskere vil være i stand til at studere himmellegemer ikke kun ved hjælp af lys og stråling, som de udsender, men også kombinere disse observationer med information opnået under analysen af tyngdekraftsbølger. Denne information indeholder, hvordan de to neutronstjerner bevægede sig omkring hinanden, da kollisionen fandt sted, samt et enormt antal oplysninger om dens konsekvenser.
Til højre - visualisering af stoffet i neutronstjerner. Til venstre - forvrængning af rumtid nær eksplosioner. Karan Janey / Georgia Institute of Technology
Kombinationen af alle informationskilder kaldes flerkanals astronomi, det vil sige astronomi baseret på tilføjelsen af observationer af det elektromagnetiske spektrum med gravitationsbølgeobservationer. Dette har været LIGO-forskeres drøm, siden observatoriet blev grundlagt.
”Forestil dig at bo i et vindue uden rum, og alt hvad du kan gøre er at høre torden, men ikke se lyn," forklarer Vicki Kalogera, en astrofysiker ved Northwestern University og medlem af LIGO-samfundet. - Forestil dig nu, at du blev flyttet til et værelse med et vindue. Fra nu af hører du ikke kun torden, men også se lyn. Lyn giver en helt ny mulighed for at studere tordenvejr og forstå, hvad der virkelig sker."
Gravitationsbølger er torden. Iagttagelse af eksplosioner gennem et teleskop - lyn.
For kun en måned siden modtog de tre grundlæggere af LIGO Nobelprisen i fysik for deres banebrydende arbejde. Som Ed Young fra The Atlantic bemærkede, tildeling af prisen til tre ud af hundreder, der har ydet betydelige bidrag til LIGO-projektet, skaber en akavet og kontroversiel situation. Nylige resultater viser imidlertid, at prisen for videnskabeligt arbejde var velfortjent.
Det bedste ved at observere gravitationsbølger er, at processen er passiv. LIGO og VIRGO vil "høre" alle tyngdepunktbølger, der passerer Jorden på samme dag. Hvert signal markerer begyndelsen på en ny søgning efter "skatte", fordi forskere er nødt til at forstå, hvad der skabte udsving i rum-tid.
Astronomer håber at se flere fusioner af både sorte huller og neutronstjerner. Men endnu mere interessante fænomener kan opdages. Hvis LIGO- og VIRGO-observatorierne fortsætter med at forbedre sig, er der en chance for, at det er muligt at registrere gravitationsbølger, der er tilbage fra Big Bang. Eller mere spændende vil disse observatorier være i stand til at registrere kilder til tyngdekraftsbølger, der tidligere var ukendt og ikke kunne forudsige.
”Jeg var trist over, at jeg blev født efter den første bemande landing på månen,” sagde Thomas Corbitt, fysiker og medlem af LIGO-samfundet ved Louisina State University. - Men når du bliver vidne til begivenheder som disse, der tjener som bevis på den store succes med fælles aktiviteter, vises inspiration. De giver os mere viden om universet."
Den originale artikel på engelsk findes her.