Hurtigt-respons program til at udforske en dobbelt neutronstjerne fusion

To år siden, forskere fra Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) opdagede gravitationsbølger for første gang, beviser Einsteins relativitetsteori og hans forudsigelse af deres eksistens. Bølgerne blev udløst af to sorte huller, der stødte sammen.

Den 17. aug. 2017, LIGO og den fransk-italienske Jomfru-detektor observerede en helt ny klasse af gravitationsbølgesignaler:en binær neutronstjernefusion. Denne fusion og dens glød blev undersøgt af teleskoper, der spænder over hele det elektromagnetiske spektrum fra gammastråler til radiobølger.

Af fundamental interesse for både fysikere og astronomer, gravitationsbølgeobservationer har indvarslet en ny videnskabsæra. Faktisk, så mange videnskabelige artikler om neutronstjernefusionen blev offentliggjort på én dag, at forskere lavede et onlineindeks for at holde styr på dem.

Nu, mindre end to måneder efter den første påvisning af kolliderende neutronstjerner, UC Santa Barbara's Kavli Institut for Teoretisk Fysik (KITP) indkaldte til et hurtigreaktionsprogram for forskere fra hele verden, direkte støttet af Kavli Foundation. Mere end 75 fysikere og astronomer diskuterede astrofysikken i neutronstjernefusionen og lyttede til snesevis af præsentationer, der dykkede ned i detaljerne i denne seneste spilskiftende begivenhed.

"Hensigten med 'GW170817:The First Double Neutron Star Merger' er at udvide bevidstheden om resultaterne fra det store samarbejde, der gjorde disse spændende opdagelser, "sagde KITP -direktør Lars Bildsten." KITP giver et sted for interesserede videnskabsmænd ikke blot at tage den store mængde data, der genereres af den seneste begivenhed, men også til at skubbe fortolkninger af disse data. "

August gravitationsbølgesignalet producerede den første afstandsmåling til en nærliggende galakse fra sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner og udforskede ligningen for stoffets tilstand ved supernukleare tætheder. Andre undersøgelsesområder dukkede også op fra overfloden af ​​gravitationsbølger og elektromagnetiske data, herunder dannelse af tunge grundstoffer samt gammastråleudbrud og andre elektromagnetiske signaler, der fulgte neutronstjernens fusion.

Den kosmiske oprindelse af grundstoffer, der er tungere end jern, har været genstand for megen debat. Selvom teoretiske modeller viser, at stof, der udvises ved en fusion af neutronstjerner, kan danne guld og platin i en proces kendt som hurtig neutronfangst (r-proces) nukleosyntese, denne seneste begivenhed giver solid direkte observation.

"Årevis, folk har forsøgt at studere, hvordan de tungeste grundstoffer blev dannet ved at se på spor fossile rester af disse grundstoffer i solen eller i meteoritter, " forklarede astrofysiker Daniel Kasen fra UC Berkeley, en koordinator af KITP-programmet. "Endelig, med denne begivenhed havde vi den rene prøve af tunge elementer skubbet ud fra neutronstjernens fusion, og vi var i stand til at undersøge den direkte, observationsmæssigt, ved at se på lyset fra det radioaktive skær fra disse tunge grundstoffer."

I en årrække, fysikere og astronomer - hvoraf mange deltog i et længere KITP-program om et lignende emne i 2012 - har modelleret, hvordan en dobbelt neutronstjernefusion ville se ud. Det viser sig, at mange modeller af disse ekstremt komplicerede fænomener var uhyggeligt nøjagtige.

"Tyngebølgerne fortalte os, at disse var neutronstjerner, og de elektromagnetiske observationer fortalte os om spektret af det radioaktive henfald, der producerer r-proces elementer, " sagde Duncan Brown, Charles Brightman-endowed professor i fysik ved Syracuse University og ledende koordinator for KITP-hurtigresponsprogrammet. "Du sætter disse to sammen, og de fuldender vores viden om oprindelsen til det periodiske system."

Et andet varmt emne i programmet var den elektromagnetiske pendant til neutronstjernefusionen. Gammastråleudbruddet kørte gravitationsbølgerne 130 millioner lysår gennem universet for at blive observeret på Jorden med kun to sekunders mellemrum. Dette demonstrerede, at neutronstjernefusioner er den længe søgte oprindelse for gammastråleudbrud. Det viste også, at for ekstremt høj nøjagtighed er tyngdekraftens hastighed og lysets hastighed den samme, hvilken, ifølge Brown, udelukker en stor klasse af modificerede teorier om tyngdekraften.

"Det, der har været overraskende for mig, er diskussionerne om de mulige emissionsmekanismer for gammastråleudbrud, " sagde Brown. "I gravitationsbølgeastronomi, teorien har været 50 år foran observationerne, der henviser til, at den elektromagnetiske side er omvendt; observationerne er 50 år foran teorien. Det bliver interessant at se, hvordan det udvikler sig. "

Fysikere og astronomer får endnu en chance for at udforske gravitationsbølgevidenskab i et fremtidigt KITP-program, der er planlagt til 2019. "The New Era of Gravitational-Wave Physics and Astrophysics" vil samle en bred gruppe af eksperter for at diskutere den astrofysik og grundlæggende fysik, som kan læres af de tilgængelige observationer på det tidspunkt, hvilket forhåbentlig bliver betydeligt.

LIGO og Jomfruen opdaterer deres instrumentering med håb om, at når de kommer tilbage online i efteråret 2018 med øget følsomhed, deres indsats vil give yderligere observationer af gravitationsbølgesignaler, måske fra andre kilder.

"De vil ikke alle være ens i masser eller spin, og måske vil vi se et sort hul og en neutronstjerne støde ind i hinanden, " sagde Brown. "Dette er virkelig kun begyndelsen på en global indsats for at bruge disse kollisioner til at studere fundamental fysik, astrofysik og stjernernes evolution."