Gravitationsbølgedetektorer Opdag kolliderende neutronstjerner - og afdæk en videnskabelig guldgrube

Forskere har opdaget det svage gravitationsbølgesignal fra to neutronstjerner, der støder sammen, og rumteleskoper har målt flashen af ​​gammastråler, der bryder ud af den voldsomme fusion. Det er første gang, at både gravitationsbølger og elektromagnetisk stråling er blevet observeret fra den samme kosmiske begivenhed. Det er også første gang, vi har registreret gravitationsbølgerne fra en fusion mellem neutronstjerner.

Indtil nu, gravitationsbølgeobservatorier har kun skelnet fusioner af sorte huller. Laserinterferometer Gravitationsbølgeobservatorium (Advanced LIGO), som administrerer to detekteringsstationer i Washington og Louisiana, skrev historie i 2015 for at få den første opdagelse af gravitationsbølger, der rislede gennem rumtiden - en vigtig teoretisk forudsigelse fra Einsteins generelle relativitet.

Siden den historiske opdagelse, tre fusioner med sorte huller er blevet bekræftet. Den seneste sorte hul fusionsbegivenhed blev registreret den 14. august, og den så Advanced Virgo-detektoren (placeret i nærheden af ​​Pisa i Italien) slutte sig til LIGO for at foretage den mest præcise måling af et sort hul-smash-up endnu.

Kun tre dage senere, den 17. august, LIGO og Jomfru opdaget en anden signal. Denne gang kom det fra to kolliderende neutronstjerner, beviser, at sorte huller ikke er de eneste begivenheder, der skaber gravitationsbølger. Et internationalt samarbejde mellem 70 jord- og rumbaserede teleskoper forstærkede opdagelsen ved at fange gammastrålingens udbrud og efterglød af neutronstjernekollisionen, der skete 130 millioner lysår væk i en galakse kaldet NGC 4993.

På mandag, 16. oktober kl. LIGO/Virgo -undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters.

"Denne opdagelse åbner vinduet for en længe ventet 'multi-messenger' astronomi, "sagde David H. Reitze, administrerende direktør for LIGO Laboratory, i en erklæring.

"Det er første gang, at vi har observeret en katastrofal astrofysisk begivenhed i både gravitationsbølger og elektromagnetiske bølger-vores kosmiske budbringere. Gravitationsbølge-astronomi giver nye muligheder for at forstå neutronstjernens egenskaber på måder, som bare ikke kan opnås med alene elektromagnetisk astronomi, " han tilføjede.

Det mørke univers

Medmindre de er omgivet af varm gas, sorte hulfusioner producerer ikke nødvendigvis elektromagnetisk stråling (såsom lys, Røntgenstråler og infrarød), så selvom de måske er de mest energiske begivenheder i vores univers, de vil ikke blive afhentet af konventionelle teleskoper. Med gravitationsbølger, imidlertid, forskere har åbnet et nyt vindue ind i det "mørke" kosmos, giver os mulighed for at "se" rumtiden krusninger disse kraftfulde begivenheder frembringer. Gravitationsbølgedetektorer bruger ultrapræcise lasere, der skyder langs kilometerlange "L" -formede tunneler til at måle den lille rumtidsforvridning, som gravitationsbølger forårsager, når de passerer gennem vores planet.

Detektering af gravitationsbølger er en ting, men toppen af ​​enhver astronomisk undersøgelse er at få flere observatorier til at se den samme begivenhed på tværs af flere frekvenser. Og nu, for første gang, gravitationsbølgerne og elektromagnetiske bølger fra samme astrofysiske begivenhed er blevet registreret for at afsløre en svimlende mængde information om kolliderende neutronstjerner.

"Denne opdagelse har virkelig åbnet dørene til en ny måde at lave astrofysik, "sagde Laura Cadonati, stedfortræder for LIGO Scientific Collaboration, i udgivelsen. "Jeg forventer, at det vil blive husket som en af ​​de mest studerede astrofysiske begivenheder i historien."

Neutronstjerner danser, Også

Gennem analyse af LIGO- og Jomfru -signaler, forskere kunne tyde, at to massive objekter, mellem 1,1 og 1,6 gange massen af ​​vores sol, var blevet fanget i en binær bane og spiraler ind i hinanden, skaber en talende 100-sekunders "kvidren"-en hurtig stigning i gravitationsbølgefrekvensen, der er typisk for en fusion.

Efter sorte huller, neutronstjerner er de tætteste objekter i universet. Måling af den omtrentlige størrelse af en by, disse objekter kan være mere massive end vores sol. Faktisk, neutronstjernemateriale er så tæt, at en teskefuld af tingene vil have en masse på en milliard tons. De er rester af massive stjerner, der eksploderede som supernovaer, så de besidder også kraftige magnetfelter og kan rotere hurtigt, undertiden genererer kraftige eksplosioner af stråling fra deres poler - kendt som pulsarer.

Da dette gravitationsbølgesignal - kaldet GW170817 - blev opdaget, LIGO og Jomfru forskere vidste, at dette ikke var "bare endnu en" sort hul fusion; disse objekter var for små til at være sorte huller og inden for området neutronstjernemasse.

"Det syntes umiddelbart for os, at kilden sandsynligvis var neutronstjerner, den anden eftertragtede kilde, vi håbede at se - og lovede den verden, vi ville se, "sagde David Shoemaker, talsmand for LIGO Scientific Collaboration, i en erklæring. "Fra at informere detaljerede modeller om neutronstjerners indre virke og de emissioner, de producerer, til mere grundlæggende fysik som generel relativitet, denne begivenhed er bare så rig. Det er en gave, der bliver ved med at give. "

Gamma-ray Burst Monitor på NASAs Fermi rumteleskop opdagede også et udbrud af gammastråler fra stedet for gravitationsbølgekilden. Gravitationsbølgesignalet og gammastrålerne rammer Jorden på omtrent samme tid, bekræfter Einsteins teori om, at gravitationsbølger bevæger sig med lysets hastighed.

Ud over, så snart Fermi opdagede gammastrålerne, det europæiske gammastrålerumsobservatorium INTEGRAL studerede signalet, bekræfter, at denne begivenhed var et kort gammastråleskud.

"I årtier har vi mistanke om korte gammastråler, der blev drevet af neutronstjernefusioner, "sagde Julie McEnery, Fermi -projektforsker ved Goddard Space Flight Center, i en erklæring. "Nu, med de utrolige data fra LIGO og Jomfruen til denne begivenhed, vi har svaret. Gravitationsbølgerne fortæller os, at de fusionerende objekter havde masser i overensstemmelse med neutronstjerner, og glimten af ​​gammastråler fortæller os, at objekterne usandsynligt vil være sorte huller, da en kollision af sorte huller ikke forventes at afgive lys. "

Kilonova Gold and a Mystery

Teoretisk set når to neutronstjerner kolliderer, genererer hændelsen en eksplosion kendt som en "kilonova, "en intens ildkugle, der blæser overophedet materiale ud fra slagpunktet og ind i det omgivende rum.

Astronomer mistænker kilonovaer for at skabe de tungeste grundstoffer, der findes i hele vores univers - herunder guld og bly - så i vores søgen efter at forstå, hvordan disse elementer er seedet i hele universet, astronomer har (bogstaveligt talt) afdækket en videnskabelig guldgrube.

U.S. Gemini Observatory, Det europæiske meget store teleskop og Hubble -rumteleskopet har undersøgt fusionen af ​​neutronstjerner og rapporterer allerede observationer af nyoprettet materiale, der indeholder signaturerne af guld og platin. Dette er derfor en meget vigtig begivenhed, der giver bevis for, hvordan tunge elementer syntetiseres i galakser.

Denne begivenhed har givet observationsbevis for en række teorier, fra at bevise, at neutronstjerner gør, faktisk, kollidere, til at fremhæve, hvor de ædle metaller i vores univers kommer fra.

Men GW170817 har også skabt sit eget mysterium.

Neutronstjernefusionen skete i en galakse kun 130 millioner lysår væk (de tidligere opdagede fusioner af sorte huller fandt sted milliarder af lysår væk), men signalet modtaget af LIGO og Jomfruen var meget svagere end forudsagt. Forskere ved ikke hvorfor, men dette er kun begyndelsen på vores gravitationsbølge -odyssé, så vi kan forvente mange flere mysterier og opdagelser, efterhånden som bølger fra energiske begivenheder bliver ved med at blive opdaget.

Gravitationsbølgenetværket vil vokse sig endnu stærkere, når observatorier i Japan og Indien går online i løbet af de næste par år, bringer det samlede beløb til fem.