Neutronstjerne smashup set for første gang, transformerer forståelsen af ​​universet

For første gang, Forskere har været vidne til det katastrofale styrt af to ultratætte neutronstjerner i en galakse langt væk, og konkluderede, at sådanne påvirkninger smedede mindst halvdelen af ​​guldet i universet.

Chokbølger og lysglimt fra kollisionen rejste omkring 130 millioner lysår for at blive fanget af jordiske detektorer den 17. spændte hold afsløret på pressekonferencer, der blev afholdt over hele kloden i mandags, da et dusin relaterede videnskabelige artikler blev offentliggjort i top akademiske tidsskrifter.

"Vi så historien udfolde sig foran vores øjne:to neutronstjerner nærmede sig, tættere på... drejer hurtigere og hurtigere rundt om hinanden, derefter kolliderer og spreder affald over det hele, " fortalte medopdageren Benoit Mours fra Frankrigs CNRS-forskningsinstitut til AFP.

Den banebrydende observation løste en række fysikgåder og sendte bølger af spænding gennem det videnskabelige samfund.

Mest kæbefaldende for mange, dataene afslørede endelig, hvor meget af guldet, platin, uran, kviksølv og andre tunge grundstoffer i universet kom fra.

Teleskoper så tegn på nysmedet materiale i nedfaldet, holdene sagde - en kilde, der længe var mistænkt, nu bekræftet.

"Det gør det helt klart, at en betydelig brøkdel, måske halvdelen, måske mere, af de tunge grundstoffer i universet er faktisk produceret af denne form for kollision, " sagde fysiker Patrick Sutton, et medlem af det USA-baserede Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som bidrog til fundet.

Neutronstjerner er de fortættede, udbrændte kerner, der bliver tilbage, når massive stjerner løber tør for brændstof, sprænge i luften, og dø.

Typisk omkring 20 kilometer (12 miles) i diameter, men med mere masse end Solen, de er meget radioaktive og ultratætte – en håndfuld materiale fra én vejer lige så meget som Mount Everest.

'For smuk'

Det var blevet teoretiseret, at fusioner af to sådanne eksotiske kroppe ville skabe krusninger i rumtidens struktur kendt som gravitationsbølger, samt lyse glimt af højenergistråling kaldet gammastråleudbrud.

Den 17. august detektorer var vidne til begge fænomener, 1,7 sekunders mellemrum, kommer fra samme sted i stjernebilledet Hydra.

"Det stod klart for os inden for få minutter, at vi havde en binær neutronstjernedetektering, " sagde David Shoemaker, et andet medlem af LIGO, som har detektorer i Livingston, Louisiana og Hanford, Washington.

"Signalerne var alt for smukke til at være andet end det, " sagde han til AFP.

Observationen var frugten af ​​mange års arbejde udført af tusindvis af videnskabsmænd ved mere end 70 jord- og rumbaserede observatorier på alle kontinenter.

Sammen med LIGO, de omfatter hold fra Europas Jomfru gravitationsbølgedetektor i Italien, og en række jord- og rumbaserede teleskoper inklusive NASAs Hubble.

"Denne begivenhed markerer et vendepunkt i observationsastronomi og vil føre til en skatkammer af videnskabelige resultater, " sagde Bangalore Sathyaprakash fra Cardiff University's School of Physics and Astronomy, minde om "det mest spændende i mit videnskabelige liv."

"Det er enormt spændende at opleve en sjælden begivenhed, der transformerer vores forståelse af universets virkemåde, " tilføjede France Cordova, direktør for National Science Foundation, som finansierer LIGO.

Detektionen er endnu en fjer i hatten for den tyske fysiker Albert Einstein, som først forudsagde gravitationsbølger for mere end 100 år siden.

Noget 'fundamentalt'

Tre LIGO-pionerer, Barry Barish, Kip Thorne og Rainer Weiss, blev i denne måned tildelt Nobelprisen for fysik for observation af gravitationsbølger, uden hvilken den seneste opdagelse ikke ville have været mulig.

Krusningerne er blevet observeret fire gange før nu - første gang af LIGO i september 2015. Alle fire var fra fusioner af sorte huller, som er endnu mere voldsomme end neutronstjernenedbrud, men udsender intet lys.

Den femte og seneste påvisning blev ledsaget af et gammastråleudbrud, som forskerne sagde, kom fra tættere på universet og var mindre lyst end forventet.

"Det, denne begivenhed fortæller os, er, at der kan være mange flere af disse korte gammastråleudbrud i nærheden af ​​universet, end vi havde forventet, " sagde Sutton - en spændende udsigt for videnskabsmænd, der håber at afsløre yderligere hemmeligheder i universet.

Blandt andet, Det er håbet, at data fra neutronstjernekollisioner vil tillade den endelige beregning af den hastighed, hvormed kosmos udvider sig, som igen vil fortælle os, hvor gammel den er, og hvor meget stof den indeholder.

"Med disse observationer lærer vi ikke bare, hvad der sker, når neutronstjerner kolliderer, vi lærer også noget grundlæggende om universets natur, " sagde Julie McEnery fra Fermi gamma ray rumteleskopprojektet.

Neutronstjerne smadrer 'et livs opdagelse'

"Virkelig et eureka-øjeblik", "Alt, hvad jeg nogensinde havde håbet på", "En drøm, der går i opfyldelse" - Normalt beherskede videnskabsmænd nåede mandag efter stjernerne for at beskrive de følelser, der ledsager en "once-in-a-lifetime" begivenhed.

Udløseren for denne meteorregn af superlativer var sammenbruddet af to ufatteligt tætte neutronstjerner for 130 millioner år siden.

Beviser for dette kosmiske sammenstød stormede gennem rummet og nåede Jorden den 17. august præcis kl. 12:41 GMT, sætte en hemmelighed i gang, søvnløs, ugers lynkrig med stjernekiggeri og tal-knas, der involverer hundredvis af teleskoper og tusindvis af astronomer og astrofysikere rundt om i verden.

Det var, som om et slumrende netværk af superspioner samtidig trådte i aktion.

Stjernesammenstødet gjorde sig kendt på to måder:det skabte krusninger kaldet gravitationsbølger i Einsteins tid-rum kontinuum, og oplyste hele det elektromagnetiske lysspektrum, fra gammastråler til radiobølger.

Forskere havde opdaget gravitationsbølger fire gange før, en bedrift, der blev anerkendt med en Nobelpris i fysik tidligere på måneden.

Men hver af disse begivenheder, genereret af kollision af sorte huller, varede kun et par sekunder, og forblev usynlige for jord- og rumbaserede teleskoper.

Neutronstjernekollisionen var anderledes.

Det genererede gravitationsbølger - opsamlet af to USA-baserede observatorier kendt som LIGO, og en anden i Italien kaldet Jomfruen - der varede forbløffende 100 sekunder. Mindre end to sekunder senere, en NASA-satellit optog et udbrud af gammastråler.

Et sandt 'eureka' øjeblik

Dette satte gang i en vanvittig streg for at finde det, der næsten helt sikkert var den enkelte kilde for begge.

"Det er første gang, vi har observeret en katastrofal astrofysisk begivenhed i både gravitations- og elektromagnetiske bølger, " sagde LIGOs administrerende direktør David Reitze, en professor ved California Institute of Technology (Caltech) i Pasadena

Indledende beregninger havde indsnævret zonen til en plet af himlen på den sydlige halvkugle, der spænder over fem eller seks galakser, men frustrerede astronomer måtte vente til natten faldt på for at fortsætte eftersøgningen.

Endelig, omkring 2200 GMT, et teleskoparray i Chiles nordlige ørken slog fast:Stjernesammenlægningen havde fundet sted i en galakse kendt som NGC 4993.

Stephen Smartt, der ledede observationer for det europæiske rumobservatoriums nye teknologiteleskop, blev henrykt, da spektret lyste op på hans skærme. "Jeg havde aldrig set noget lignende, " huskede han.

Forskere overalt var lamslåede.

"Denne begivenhed var virkelig et eureka-øjeblik, " sagde Bangalore Sathyaprakash, leder af Gravitational Physics Group ved Cardiff University. "De 12 timer, der fulgte, er uden tvivl de mest spændende i mit videnskabelige liv."

"Der er sjældne tilfælde, hvor en videnskabsmand har chancen for at være vidne til en ny æra i begyndelsen - det er sådan en gang, " sagde Elena Pian, en astronom ved National Institute for Astrophysics i Rom.

LIGO-tilknyttede astronomer ved Caltech havde brugt årtier på at forberede sig på den off chance - beregnet til 80, 000-til-en odds - for at være vidne til en neutronstjernefusion.

Sig det ikke til dine venner

"Den morgen, alle vores drømme gik i opfyldelse, " sagde Alan Weinstein, leder af astrofysisk dataanalyse for LIGO hos Caltech.

"Denne opdagelse var alt, hvad jeg altid havde håbet på, pakket ind i en enkelt begivenhed, " tilføjede Francesco Pannarale, en astrofysiker ved Cardiff University i Wales.

For disse og tusindvis af andre videnskabsmænd, GW170817 – mærket for neutronstjerneudbruddet – bliver et "kan du huske hvor du var?" slags øjeblik.

"Jeg sad i min tandlægestol, da jeg fik sms'en, " sagde Benoit Mours, en astrofysiker ved Frankrigs Nationale Center for Forskning og den franske koordinator for Jomfruen. "Jeg sprang op og skyndte mig til mit laboratorium."

Patrick Sutton, leder af gravitationsfysikgruppen i Cardiff og medlem af LIGO-teamet, sad fast i en langdistancebus, kæmper for at downloade hundredvis af e-mails, der overfylder hans indbakke.

Rygterne svirrede i og uden for astronomisamfundet, da forskere skyndte sig at forberede de første resultater til offentliggørelse mandag i et dusin artikler spredt over flere af verdens førende tidsskrifter.

"Der har været en del pints og glas vin eller bobler - privat, selvfølgelig, fordi vi ikke har fået lov til at fortælle det til nogen, " sagde Sutton til AFP.

Men han kunne ikke lade være med at fortælle sin 12-årige søn, en aspirerende fysiker.

"Han har dog svoret tavshedspligt. Han har ikke lov til at fortælle det til sine venner."

LIGO og Jomfruen:Maskinerne, der låser op for universets mysterier

De tre maskiner, der gav forskerne deres første glimt af gravitationsbølger som følge af en kollision af neutronstjerner, er de mest avancerede detektorer, der nogensinde er bygget til at registrere små vibrationer i universet.

LIGO- og Jomfru-detektorerne har tidligere opfanget "kvidren" af sorte huller, der smelter sammen i det fjerne univers, udsender krusninger i rummets og tidens stof.

Detekteringen af ​​disse gravitationsbølger for første gang i 2015 bekræftede Albert Einsteins århundrede gamle teori om generel relativitet.

De to USA-baserede underjordiske detektorer er kendt som Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, eller LIGO for kort.

Den ene er beliggende i Hanford, Washington; den anden 1, 800 miles (3, 000 kilometer) væk i Livingston, Louisiana.

Byggeriet begyndte i 1999, og observationer blev taget fra 2001 til 2007.

Derefter gennemgik de en større opgradering for at gøre dem 10 gange mere kraftfulde.

De avancerede LIGO-detektorer blev fuldt operationelle for første gang i september 2015.

Den 14. september 2015, detektoren i Louisiana opfangede først signalet fra en gravitationsbølge, opstod for 1,3 milliarder år siden på den sydlige himmel.

Jomfruen

Den tredje underjordiske detektor er nær Pisa, Italien, og er kendt som Jomfruen.

Bygget for et kvart århundrede siden af ​​et fransk-italiensk partnerskab, Jomfrudetektoren afsluttede sin første runde af observationer i 2011 og gennemgik derefter en opgradering.

Advanced Jomfruen kom online i april i år, og foretog sin første observation af gravitationsbølger den 14. august, markerer den fjerde begivenhed, som videnskabsmænd har observeret siden 2015.

Jomfruen er mindre følsom end LIGO, men at have tre detektorer hjælper videnskabsmænd med at finde det område af universet, hvor en kosmisk begivenhed finder sted, og mål afstanden med større nøjagtighed.

"Et mindre søgeområde muliggør opfølgende observationer med teleskoper og satellitter for kosmiske begivenheder, der producerer gravitationsbølger og emissioner af lys, såsom kollision af neutronstjerner, " sagde Georgia Tech professor Laura Cadonati.

Hvordan de virker

Disse enorme laserinterferometre - hver omkring 2,5 miles (fire kilometer) lange - er begravet under jorden for at tillade de mest præcise målinger.

De L-formede instrumenter sporer gravitationsbølger ved hjælp af laserlysets og rummets fysik.

De er ikke afhængige af lys på himlen, som et teleskop gør.

Hellere, de fornemmer vibrationerne i rummet, en fordel, som giver dem mulighed for at afdække egenskaberne ved sorte huller og neutronstjerner.

"Når en gravitationsbølge forplanter sig gennem rummet, strækker den rum-tid, " forklarede David Shoemaker, leder af Advanced LIGO-projektet ved Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Detektoren, kort sagt, "er bare en stor enhed til at ændre belastning i rummet til et elektrisk signal."

En måde at forestille sig krumningen af ​​rum og tid er at forestille sig en bold, der falder på en trampolin.

Trampolinen bukker først nedad, strække stoffet lodret og forkorte siderne.

Så når bolden hopper opad igen, den vandrette bevægelse af stoffet udvider sig igen.

Instrumentet fungerer som en transducer, at ændre den stamme til ændringer i lys - og derefter til et elektronisk signal, så videnskabsmænd kan digitalisere det og analysere det.

"Lyset fra laseren skal rejse i et vakuum, så det ikke bliver forstyrret af alle luftsvingninger, sagde Skomager, bemærker, at LIGO indeholder det "største højvakuumsystem i verden, "—måler 1,2 meter (yards) gange 2,5 miles (fire kilometer) lang.

Detektorerne indeholder to meget lange arme, der indeholder optiske instrumenter til at bøje lys, og er placeret som bogstavet L.

Hvis den ene arm forkortes, og den anden forlænges, videnskabsmænd ved, at de ser en gravitationsbølge.

Læs mere: Hvad er neutronstjerner?

Læs mere: Gravitationsbølger:Hvorfor balladen?

© 2017 AFP