Multimessenger-links til NASAs Fermi-mission viser, hvordan held begunstiger de forberedte

I 2017 NASAs Fermi Gamma-ray rumteleskop spillede en central rolle i to vigtige gennembrud, der fandt sted med kun fem ugers mellemrum. Men hvad der kan virke som ekstraordinært held, er i virkeligheden resultatet af forskning, analyse, forberedelse og udvikling, der strækker sig mere end et århundrede tilbage.

Den 17. aug. 2017, Fermi opdagede det første lys nogensinde set fra en kilde til gravitationsbølger - krusninger i rum-tid produceret, i denne begivenhed, ved sammensmeltningen af ​​to supertætte neutronstjerner. Bare fem uger senere, en enkelt højenergipartikel opdaget af National Science Foundations (NSF) IceCube Neutrino Observatory blev sporet til en fjern galakse drevet af et supermassivt sort hul takket være en gammastråleudstråling observeret af Fermi.

"I årtusinder, lys var vores eneste kilde til information om universet, " sagde Julie McEnery, Fermi-projektets videnskabsmand ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "De seneste opdagelser forbinder lys, vores mest kendte kosmiske kurer, til gravitationsbølger og partikler som neutrinoer - nye budbringere, der leverer forskellige former for information, som vi lige er begyndt at udforske."

Dybe rødder

Oprindelsen af ​​disse opdagelser strækker sig tilbage til banebrydende forskning så længe siden som 1887. Det var da fysikerne Albert Michelson og Edward Morley udførte et eksperiment for at opdage et stof, kaldet æteren, som blev postuleret som et medium, der tillod lysbølger at rejse gennem rummet. Som deres eksperiment viste, og mange siden har bekræftet, Æteren eksisterer ikke. Men det negative resultat viste sig at være en af ​​inspirationerne til Albert Einsteins specielle relativitetsteori fra 1905. Han generaliserede dette til en fuldgyldig teori om tyngdekraften i 1915, en, der forudsagde eksistensen af ​​gravitationsbølger.

Et århundrede senere, den 14. sept. 2015, NSF's Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detekterede disse rum-tidsvibrationer for første gang, da bølger fra sammensmeltningen af ​​to sorte huller nåede Jorden. Ind imellem kom en lind strøm af fremskridt, inklusive lasere, forbedret instrumentering og stadig mere kraftfulde computere og software.

"Ligesom det har taget årtier at opfinde detektorteknologierne, det samme har den teoretiske og beregningsmæssige ramme til at analysere og fortolke multimessenger-observationer, " sagde Tyson Littenberg, hovedefterforskeren af ​​LIGO-forskningsgruppen ved NASAs Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama. "Vi gennemgik utallige simuleringer for at teste nye ideer og forbedre eksisterende algoritmer, så vi var parate til at få mest muligt ud af de første observationer, og at det grundlæggende forsknings- og udviklingsarbejde fortsætter."

Indtil 2005, det var ikke engang muligt at simulere i detaljer, hvad der sker, når et par kredsende sorte huller smelter sammen. Gennembruddet kom, da separate hold på Goddard og University of Texas i Brownsville uafhængigt udviklede nye beregningsmetoder, der overvandt alle tidligere forhindringer. En nøjagtig forståelse af gravitationsbølgesignaler var et vigtigt skridt i udviklingen af ​​teknikker designet til hurtigt at detektere og karakterisere dem.

"En anden grundlæggende udvikling var de meget optimerede analysepipelines og informationsteknologiske infrastruktur, der kan sammenligne den teoretiske model med dataene, genkende tilstedeværelsen af ​​et signal, beregne placeringen af ​​kilden på himlen og formatere informationen på en måde, som resten af ​​det astronomiske samfund kunne bruge, " forklarede Tito Dal Canton, en NASA Postdoctoral Program Fellow og medlem af en LIGO forskningsgruppe ved Goddard ledet af Jordan Camp.

Astronomer har brug for at vide om kortvarige begivenheder så hurtigt som muligt, så de kan bringe en bred vifte af teleskoper i luften og på jorden. Tilbage i 1993, forskere ved Goddard og Marshall begyndte at udvikle et automatiseret system til fordeling af placeringerne af gammastråleudbrud (GRB'er) - fjernt, kraftige eksplosioner, der typisk varer et minut eller mindre - for astronomer rundt om i verden i realtid. Beliggende i Goddard og ledet af hovedefterforsker Scott Barthelmy, Gamma-ray Coordinates Network/Transient Astronomy Network distribuerer nu alarmer fra mange rummissioner såvel som jordbaserede instrumenter som LIGO og IceCube.

Spøgelsespartikler

Den historiske tråd for neutrinoer begyndte med den franske fysiker Henri Becquerel og hans opdagelse af radioaktivitet i 1895. I 1930, efter at have studeret en radioaktiv proces kaldet beta-henfald, Wolfang Pauli foreslog, at det sandsynligvis involverede en ny subatomær partikel, senere døbt neutrinoen. Vi ved nu, at neutrinoer har lille masse, rejse næsten lige så hurtigt som lyset, findes i tre varianter og er blandt de mest udbredte partikler i universet. Men fordi de ikke let interagerer med andre ting, neutrinoer blev først opdaget i 1956.

I 1912, Victor Hess opdagede, at ladede partikler, nu kaldet kosmiske stråler, konstant gå ind i Jordens atmosfære fra alle retninger, hvilket betyder, at rummet er fyldt med dem. Når kosmiske stråler rammer luftmolekyler, kollisionen producerer en byge af partikler – inklusive neutrinoer – der regner ned gennem atmosfæren. At søge efter astronomiske neutrinokilder betød at placere eksperimenter under jorden for at reducere interferens fra kosmiske stråler og bygge meget store detektorer for at drille de svage signaler fra reklamesky neutrinoer.

Neutrinoer produceret af kernereaktioner inde i Solens kerne blev først opdaget i 1968 takket være et eksperiment med 100, 000 liter rensevæske placeret dybt i en guldmine i South Dakota. At opdage den næste astronomiske neutrinokilde ville tage yderligere 19 år. Supernova 1987A, en stjerneeksplosion i en nærliggende galakse, forbliver den lyseste og nærmeste supernova set i over 400 år og er den første, som den oprindelige stjerne kunne identificeres for på billeder før eksplosion. Teoretikere forudså, at neutrinoer, som undslipper en kollapsende stjerne lettere end lys, ville være det første signal fra en ny supernova. Og timer før 1987A's synlige lys ankom til Jorden, eksperimenter i Japan, USA og Rusland opdagede et kort udbrud af neutrinoer, gør supernovaen til den første kilde til neutrinoer identificeret ud over solsystemet.

"Hvis ingen af ​​disse eksperimenter fungerede på det tidspunkt, neutrinosignalet ville være gået forbi ubemærket, " sagde Francis Halzen, hovedefterforskeren af ​​IceCube, som i det væsentlige er et neutrinoteleskop bygget ind i en kubikkilometer is på Sydpolen. "Det er ikke nok at udvikle teknologien, forfine teorier eller endda konstruere en detektor. Vi er nødt til at foretage observationer så ofte vi kan for at få den bedste chance for at fange kort, sjældne og videnskabeligt interessante begivenheder. Både Fermi og IceCube kører kontinuerligt, lave uafbrudte observationer af himlen."

Lys fantastisk

Den tredje historiske tråd tilhører gammastråler, den højeste energiform for lys, opdaget i 1900 af den franske fysiker Paul Villard. Når en gammastråle med tilstrækkelig energi interagerer med stof, det giver en perfekt demonstration af Einsteins mest berømte ligning, E=mc2, ved øjeblikkeligt at omdannes til partikler - en elektron og dens antistof-modstykke, en positron. Omvendt styrter en elektron og en positron sammen, og der opstår en gammastråle.

NASAs Explorer 11 satellit, lanceret i 1961, opdagede de første gammastråler i rummet. I 1963, det amerikanske luftvåben begyndte at opsende en række satellitter som en del af Project Vela. Disse stadig mere sofistikerede satellitter blev designet til at verificere overholdelse af en international traktat, der forbød atomvåbentest i rummet eller i atmosfæren. Men fra og med juli 1967, Forskere blev klar over, at Vela-satellitterne så korte gammastrålebegivenheder, der tydeligvis ikke var relateret til våbenforsøg.

Disse eksplosioner var GRB'er, et helt nyt fænomen, der nu er kendt for at markere døden af ​​visse typer massive stjerner eller sammensmeltningen af ​​kredsende neutronstjerner. NASA udforskede gammastrålehimlen yderligere med Compton Gamma Ray Observatory, som fungerede fra 1991 til 2000 og registrerede tusindvis af GRB'er. Fra 1997, kritiske observationer fra den italiensk-hollandske BeppoSAX-satellit beviste, at GRB'er var placeret langt ud over vores galakse. Compton blev efterfulgt af NASAs Neil Gehrels Swift Observatory i 2004 og Fermi i 2008, missioner, der fortsætter med at udforske højenergihimlen, og som følger op på LIGO- og IceCube-alarmer.

"På observationsområdet, Tilfældighed favoriserer kun det forberedte sind, " bemærkede Louis Pasteur, den franske kemiker og mikrobiolog, i et foredrag fra 1854. Understøttet af årtiers videnskabelige opdagelser og teknologisk innovation, det spirende felt inden for multimessenger-astronomi er i stigende grad forberedt på sit næste lykketræf.