Neutronstjernefusion bekræfter årtiers forudsigelser

Den 17. aug. Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory (LIGO) opdagede det femte fingeraftryk af en massiv forstyrrelse i rumtiden siden LIGO begyndte operationer i september 2015. I modsætning til de første fire sæt krusninger, som afspejlede kollisioner mellem to sorte huller, formen af ​​disse rumtidsforvrængninger antydede en kollision mellem to neutronstjerner.

Mens sorte hul-kollisioner næsten ikke producerer andre signaturer end gravitationsbølger, kollisionen af ​​neutronstjerner kan – og blev – observeret op og ned i det elektromagnetiske spektrum. "Når neutronstjerner kolliderer, Helvede bryder løs, sagde Frans Pretorius, en fysikprofessor i Princeton. "De begynder at producere en enorm mængde synligt lys, og også gammastråler, Røntgenstråler, radiobølger…."

Princeton-forskere har studeret neutronstjerner og deres astronomiske signaturer i årtier.

Neutronstjerner og gammastråler:Bohdan Paczynski og Jeremy Goodman

Gravitationsbølgerne var det første bevis på, at neutronstjernens fusion ankom til Jorden, efterfulgt af et gammastråleudbrud, der ankom 1,7 sekunder senere.

Forbindelsen mellem neutronstjerner og gammastråleudbrud blev først identificeret af Princeton astrofysikere i 1986, sagde James Stone, Lyman Spitzer Jr., Professor i teoretisk astrofysik og formand for Institut for Astrofysiske Videnskaber. "Mange af de opdagelser, der blev annonceret [16. oktober] bekræfter de grundlæggende forudsigelser lavet for 30 år siden her i Princeton."

Han henviste til et sæt ryg-til-ryg-papirer af Bohdan Paczynski, afdøde Lyman Spitzer Jr. professor i teoretisk astrofysik, og Jeremy Goodman, en 1983 Ph.D. kandidat, der studerede under Paczynski og nu er professor i afdelingen. I deres artikler, Paczynski og Goodman argumenterede for, at kolliderende neutronstjerner kunne være kilderne til gammastråleudbrud, en mystisk, kortvarig energikilde først identificeret af satellitter i slutningen af ​​1960'erne.

"Vi henviste begge til den mulighed. Hvem kom først med den idé? Jeg ved det ikke, fordi vi var i konstant samtale, " sagde Goodman. "Vi vidste, at [neutronstjerner] lejlighedsvis måtte kollidere - vi vidste det på grund af [Princeton-fysiker og nobelpristager] Joe Taylors arbejde."

Ud over, Paczynski havde indset, at de fleste gamma-ray bursts kom fra afstande, der var langt nok til, at universets ekspansion påvirkede deres tilsyneladende fordeling.

"Bohdan Paczynski havde fuldstændig ret, sagde Goodman. Men, hans ideer blev ikke umiddelbart omfavnet af feltet. "Jeg kan huske, at jeg gik til en konference i Taos, Ny mexico. … Bohdan holdt en kort tale om sin idé om, at gammastråleudbrud kommer fra kosmologiske afstande. Jeg husker disse andre astrofysikere … de var respektfuldt stille, da han talte, men betragtede ham som lidt af en galning."

Han tilføjede, "Bohdan Paczynski var en meget dristig tænker."

Neutronstjerner støder sammen:Joseph Taylor, Russell Hulse og Joel Weisberg

Muligheden for at kollidere neutronstjerner, der havde foranlediget Paczynski og Goodmans diskussion, dukkede først op i et papir fra 1981 af Joseph Taylor, nu James S. McDonnell Distinguished University Professor of Physics, Emeritus. Hans opdagelse af binære neutronstjerner fra 1974 med sin daværende kandidatstuderende Russell Hulse, som senere arbejdede på Princeton Plasma Physics Laboratory, blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1993. De viste, at de to neutronstjerner, de havde set, var adskilt af omkring en halv million miles og kredsede om hinanden hver 7.75 time.

I 1981, kort efter ankomsten til Princeton, Taylor og daværende assisterende professor Joel Weisberg meddelte, at med præcise målinger taget over flere år, de havde bekræftet, at afstanden og perioden ændrer sig med tiden, med et orbitalt henfald, der matcher Albert Einsteins forudsigelse for energitab på grund af gravitationsbølgeemission. Banen aftager så uendeligt meget, at det vil tage omkring 300 millioner år for neutronstjernerne i Hulse-Taylor-binæren at kollidere og smelte sammen.

"Når Hulse-Taylor neutronstjernens binære var blevet forstået, med efterfølgende timingforsøg, der viser overensstemmelse med generel relativitet, det var klart, at der ville ske kollisioner, " sagde Steven Gubser, en professor i fysik. "Så da vi fejrer den første gravitationsbølgedetektion af kolliderende neutronstjerner, lad os også kreditere Joe Taylor og Russell Hulse for deres oprindelige opdagelse af binære pulsarer, og til demonstration af, at de faktisk er neutronstjerner, der kredser om hinanden, venter bare på at kollidere."

Sådan smelter stjerner sammen:Steven Gubser og Frans Pretorius

Forestil dig en fjerdedel, der snurrer på en bordplade. Efterhånden som friktion bløder energi fra systemet, kvartalet begynder at slingre rundt om dets yderkant, laver en "wop...wop...wop...wop"-lyd, der accelererer (wop-wop-wop-wop) og accelererer (whopwhopwopwop), indtil det kun er en sløring af lyd, der stiger i tonehøjde til et sidste "whoooop" som kvart flader på bordet.

Det er den demonstration, som Gubser og Pretorius leverede, da de beskrev, hvordan sorte huller (eller neutronstjerner) kolliderer - et astronomisk vidunder, som LIGO nu har opdaget fem gange. Ved en nylig tale om deres bog, "Den lille bog om sorte huller, "udgivet af Princeton University Press, Gubser og Pretorius brugte en skive omkring tre tommer i tværs i stedet for en kvart, så deres publikum lettere kunne se og høre diskens langsomme, men støt stigende hastighed.

"Du ville normalt tænke på at miste energi som svarende til at bremse, ikke fremskynde, men du så med disken, at den faktisk kan gå den anden vej, " sagde Gubser bagefter. "Når disken mister energi til friktion, dets kontaktpunkt bevæger sig hurtigere og hurtigere rundt, og producerer den karakteristiske stigende frekvens."

Uanset om de kolliderende objekter er neutronstjerner eller sorte huller - eller et af hver - følger den hvirvlende bevægelse og dens lyd det samme mønster. Når gravitationsbølgeenergien bløder væk, de to objekter vil kredse om hinanden hurtigere og hurtigere, på vej mod deres uundgåelige død.

I tilfældet med kollisionen, som LIGO opdagede den 17. august, de to stjerner – hver på størrelse med Manhattan og med næsten dobbelt så stor masse som solen – hvirvlede i sidste ende rundt om hinanden hundredvis af gange i sekundet, bevægede sig med en betydelig brøkdel af lysets hastighed, før de kolliderede.

"Taylor og Weisbergs tidseksperiment viste begyndelsen af ​​dette mønster, som opstår fra en langsom in-spiral, sagde Gubser. Frekvensen stiger meget langsomt, og det er derfor, det var en så imponerende måling."

Derimod han sagde, "i den sidste fase af in-spiralen, frekvensen stiger hurtigt, og du får den slags 'whoop' eller 'chirp' bølgeform, som LIGO så. "

Hvad stjerner skaber:Adam Burrows og David Radice

Når stjerner slår ind i hinanden med en mærkbar brøkdel af lysets hastighed, kollisionen smelter atomer sammen og skaber de grundstoffer, der fylder de nederste rækker af det periodiske system.

"Disse elementer - platin, guld, mange andre mindre værdifulde, der er højt oppe i det periodiske system - de har flere neutroner end protoner i deres kerner, " sagde Goodman. "Du kan ikke komme til disse kerner på samme måde, som vi forstår grundstoffer op til jern bliver produceret, ved effektivt at tilføje én neutron ad gangen. Problemet er, at du skal tilføje en masse neutroner meget hurtigt." Denne hurtige proces er kendt af fysikere som r-processen.

I lang tid, videnskabsmænd troede, at r-proces elementer blev skabt i supernovaer, men tallene lagde ikke op, Sagde Goodman. "Men neutronstjerner er for det meste neutroner, og hvis du slår to af dem sammen, det er rimeligt at forvente, at nogle af neutronerne vil sprøjte ud. "

"Produkterne af denne fusion kunne være guld, uran, europium - nogle af de tungeste grundstoffer i naturen, "sagde Adam Burrows, en professor i astrofysiske videnskaber og direktør for programmet i planeter og liv.

Burrows og David Radice, en associeret forsker, for nylig vundet finansiering fra det amerikanske energiministerium til at undersøge fusionerende neutronstjerner og supernovaer, som Burrows samlet beskriver som "nogle af de mest eksplosive fænomener, nogle af de mest voldelige, der forekommer regelmæssigt i universet. "

Spektroskopiske observationer fra European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT) i kølvandet på LIGO -detektionen bekræftede, at tungmetaller som platin, bly og guld blev skabt i sammenstødet mellem de to neutronstjerner.

De VLT-data, der bruges til at identificere disse elementer, lysets synlige og nærsynlige bølgelængder, blev samlet i timerne og dagene efter LIGO's detektering af gravitationsbølgerne. Da ordet var begyndt at sprede sig om LIGOs opdagelse, det verdensomspændende astronomiske samfund trænede deres teleskoper og andre instrumenter på den del af himlen, som gravitationsbølgerne var kommet fra, i hvad tidligere Princeton postdoc-forsker Brian Metzger kaldte den "mest ambitiøse og følelsesladede elektromagnetiske kampagne i historien, sandsynligvis, for enhver forbigående [kortvarig begivenhed]."

Metzger, en assisterende fysikprofessor ved Columbia University, var en af ​​de næsten 4, 000 medforfattere på papiret, der beskriver de opfølgende observationer af røntgenstråler, gammastråler, synlige lysbølger, radiobølger og meget mere. "Dette var en virkelig fantastisk pankromatisk opdagelse af gravitationsbølger, ved stort set hver eneste bølgelængde, " han sagde.

Indvirkningen på det astronomiske samfund kan sammenlignes med kun én anden begivenhed i hans levetid, sagde Goodman:supernovaen fra 1987. Observationer af den stjerneeksplosion havde givet konkrete løsninger på utallige astronomiske spørgsmål og teorier. "Folk havde opbygget denne model for supernovaer, [a] tårnhøjt teoretisk bygningsværk, og observationsgrundlaget var lidt rystende, " sagde Goodman. "Ingen kunne tænke på en bedre model for disse ting, men så for at se det … jeg ved ikke hvordan jeg skal beskrive det, det er som at få et telegram fra Gud, siger præcis, hvad disse begivenheder var."

Rimerne af data indsamlet fra det "elektromagnetiske fyrværkeri" frembragt ved fusionen med neutronstjerner har haft en lignende effekt, sagde Goodman. "Vi havde alle mulige spekulationer ... men nu har vi disse gravitationsbølger. Det er præcis, som vi forventede for to kompakte masser!"

"Dette er fremtiden for gravitationsbølgedetektion, som er en ny astronomi, der er blevet åbnet, " sagde Burrows. "Det er et nyt vindue på universet, der har været forudset i årtier, og det er en fantastisk udmøntning af ambitionerne hos tusindvis af videnskabsmænd, teknologer, der faktisk opnåede, hvad mange mennesker troede, de ikke kunne."