Astronomer slår kosmisk guld, bekræfte oprindelsen af ​​ædle metaller i neutronstjernefusioner

Den første påvisning af gravitationsbølger fra den katastrofale fusion af to neutronstjerner, og observation af synligt lys i kølvandet på denne fusion, endelig besvare et mangeårigt spørgsmål i astrofysik:Hvor finder de tungeste elementer, lige fra sølv og andre ædle metaller til uran, kommer fra?

Baseret på lysstyrken og farven på det lys, der udsendes efter fusionen, der tæt matcher teoretiske forudsigelser fra University of California, Berkeley og Lawrence Berkeley National Laboratory fysikere, astronomer kan nu sige, at guldet eller platinet i din vielsesring efter al sandsynlighed var forfalsket under den korte, men voldsomme fusion af to kredsløbende neutronstjerner et eller andet sted i universet.

Dette er den første opdagelse af en neutronstjernefusion af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detektorer i USA, hvis ledere blev tildelt Nobelprisen i fysik for to uger siden, og Jomfru -detektoren i Italien. LIGO havde tidligere opdaget gravitationsbølger fra fire sorte hulfusioner, og Jomfru en, men sådanne begivenheder bør være helt mørke. Det er første gang, lys, der er forbundet med en kilde til gravitationsbølger, er blevet detekteret.

"Vi har arbejdet i årevis med at forudsige, hvordan lyset fra en neutronfusion ville se ud, "sagde Daniel Kasen, en lektor i fysik og astronomi ved UC Berkeley og en videnskabsmand ved Berkeley Lab. "Nu er den teoretiske spekulation pludselig kommet til live."

Neutronstjernens fusion, kaldet GW170817, blev opdaget den 17. august og straks telegraferet til observatører rundt om i verden, der vendte deres små og store teleskoper mod det område af himlen, hvorfra det kom. De krusninger i rumtiden, som LIGO/Jomfruen målte, foreslog en fusion mellem neutronstjerner, da hver stjerne i binæren vejede mellem 1 og 2 gange massen af ​​vores sol. Bortset fra sorte huller, neutronstjerner er de tætteste objekter, man kender i universet. De skabes, når en massiv stjerne udtømmer sit brændstof og falder sammen på sig selv, komprimere en masse, der kan sammenlignes med solens, til en kugle kun 10 miles på tværs.

Kun 1,7 sekunder efter, at gravitationsbølgerne blev registreret, Fermi -rumteleskopet opdagede et kort udbrud af gammastråler fra den samme region, bevis på, at koncentrerede stråler af energi produceres under fusionen af ​​neutronstjerner. Mindre end 11 timer senere, observatører fik deres første glimt af synligt lys fra kilden. Den var lokaliseret til en kendt galakse, NGC 4993, ligger omkring 130 millioner lysår fra Jorden i retning af stjernebilledet Hydra.

Opdagelsen af ​​en fusion mellem neutronstjerner var overraskende, fordi neutronstjerner er meget mindre end sorte huller, og deres fusioner producerer meget svagere gravitationsbølger end fusioner af sorte huller. Ifølge Berkeley professor i astronomi og fysik Eliot Quataert, "Vi forventede, at LIGO ville finde en fusion mellem neutronstjerner i de kommende år, men at se det så tæt på - for astronomer - og så lyst i normalt lys har overgået alle vores vildeste forventninger. Og, endnu mere overraskende, det viser sig, at de fleste af vores forudsigelser om, hvordan neutronstjernefusioner ville se ud som set ved normale teleskoper, var rigtige! "

LIGO/Jomfruens observationer af gravitationsbølger og påvisning af deres optiske modstykke vil blive diskuteret på et pressemøde kl. 10 EDT mandag, 16. oktober kl. i National Press Club i Washington, D.C. samtidigt, flere dusin papirer, der diskuterer observationerne, vil blive offentliggjort online af Natur , Videnskab og Astrofysisk Journal Breve.

Elementernes oprindelse

Mens hydrogen og helium blev dannet i Big Bang for 13,8 milliarder år siden, tungere grundstoffer som kulstof og ilt blev dannet senere i stjernernes kerner gennem kernefusion af hydrogen og helium. Men denne proces kan kun bygge elementer op til jern. At lave de tungeste grundstoffer kræver et særligt miljø, hvor atomer gentagne gange bombarderes af frie neutroner. Da neutroner klæber til atomkernerne, elementer højere oppe i det periodiske system er bygget.

Hvor og hvordan denne proces med tung elementproduktion finder sted, har været et af de længst stillede spørgsmål inden for astrofysik. Den seneste opmærksomhed har henvendt sig til fusioner med neutronstjerner, hvor kollisionen mellem de to stjerner smider skyer af neutronrig stof ud i rummet, hvor de kunne samles til tunge elementer.

Spekulationer om, at astronomer kan se lys fra sådanne tunge grundstoffer sporer tilbage til 1990'erne, men tanken havde for det meste været at samle støv indtil 2010, da Brian Metzger, derefter en nypræget kandidatstuderende ved UC Berkeley, nu professor i astrofysik ved Columbia University, co-forfattede et papir med Quataert og Kasen, hvor de beregnede radioaktiviteten af ​​neutronstjerneaffald og estimerede dets lysstyrke for første gang.

"Da affaldsskyen udvider sig til rummet, "Sagde Metzger, "henfaldet af radioaktive elementer holder det varmt, får det til at lyse. "

Metzger, Quataert, Kasen og samarbejdspartnere viste, at dette lys fra neutronstjernefusioner var omtrent tusind gange lysere end normale nova -eksplosioner i vores galakse, motivere dem til at navngive disse eksotiske blink "kilonovaer".

Stadig, grundlæggende spørgsmål forblev om, hvordan en kilonova faktisk ville se ud.

"Fusionsrester i neutronstjerner er mærkelige ting - en blanding af ædle metaller og radioaktivt affald, "Sagde Kasen.

Astronomer kender ingen lignende fænomener, så Kasen og samarbejdspartnere måtte vende sig til grundlæggende fysik og løse matematiske ligninger, der beskriver, hvordan kvantestrukturen for tunge atomer bestemmer, hvordan de udsender og absorberer lys.

Jennifer Barnes, Einstein postdoktor ved Columbia, arbejdede som Berkeley -kandidatstuderende med Kasen for at lave nogle af de første detaljerede forudsigelser af, hvordan en kilonova skulle se ud.

"Da vi beregnede uigennemsigtigheden af ​​de elementer, der blev dannet ved en fusion af neutronstjerner, vi fandt en masse variation. De lettere elementer lignede optisk elementerne i supernovaer, men de tungere atomer var mere end hundrede gange mere uigennemsigtige end det, vi er vant til at se i astrofysiske eksplosioner, "sagde Barnes." Hvis der er tunge elementer i affaldet fra fusionen, deres høje uigennemsigtighed skal give kilonovaer en rødlig nuance. "

"Jeg tror, ​​at vi slog hele astrofysik -samfundet ud, da vi først meddelte, at "Sagde Kasen." Vi forudsagde, at en kilonova skulle være relativt svag og rødere end rød, hvilket betyder, at det ville være en utrolig svær ting at finde. På plussiden, vi havde defineret en ryge -pistol - du kan se, at du ser frisk producerede tunge elementer ved deres markante røde farve. "

Det er netop hvad astronomer observerede.

En 'forræderisk forudsigelse'

LIGO/Jomfruens opdagelse af en fusion af neutronstjerner i august betød, at "dommedag for teoretikerne ville komme hurtigere end forventet, "Sagde Kasen.

"I årevis havde tanken om en kilonova kun eksisteret i vores teoretiske fantasi og vores computermodeller, "sagde han." I betragtning af den komplekse fysik, der er involveret, og det faktum, at vi i det væsentlige havde nul observationsinput til at guide os, det var en vanvittig forræderisk forudsigelse - teoretikerne stak virkelig halsen ud. "

Men da dataene siver ind, den ene nat efter den anden, billederne begyndte at samle sig til et overraskende velkendt billede.

På de første par nætter med observationer, farven på fusionsbegivenheden var relativt blå med en lysstyrke, der slog godt overens med kilonovamodellernes forudsigelser, hvis fusionsresternes yderste lag er lavet af lette dyrebare elementer som sølv. Imidlertid, i løbet af de følgende dage blev emissionen stadig mere rød, en signatur på, at de indre lag i affaldsskyen også indeholder de tungeste elementer, såsom platin, guld og uran.

"Den største overraskelse var måske, hvor velopdragen det visuelle signal virkede i forhold til vores teoretiske forventninger, "Metzger bemærkede." Ingen havde nogensinde set en neutronstjerne fusionere tæt på før. At sammensætte det komplette billede af en sådan begivenhed involverer en bred vifte af fysik - generel relativitet, hydrodynamik, atomfysik, atomfysik. At kombinere alt det og komme med en forudsigelse, der matcher naturens virkelighed, er en reel triumf for teoretisk astrofysik. "

Kasen, som også var medlem af observationshold, der opdagede og gennemførte opfølgende observationer af kilden, huskede øjeblikkets begejstring:"Jeg var oppe over kl. 3 nat efter nat, sammenligne vores modeller med de nyeste data, og tænker, 'Jeg kan ikke tro, at dette sker; Jeg ser på noget, der aldrig før er set på Jorden, og jeg tror, ​​at jeg faktisk forstår, hvad jeg ser. '"

Kasen og hans kolleger har præsenteret opdaterede kilonovamodeller og teoretiske fortolkninger af observationerne i et papir, der blev offentliggjort 16. oktober forud for offentliggørelse i Natur . Deres modeller bruges også til at analysere et omfattende datasæt, der præsenteres i syv yderligere artikler, der vises i Natur , Videnskab og Astrofysisk Journal .

Observationerne bekræftede ikke kun de teoretiske forudsigelser, men modelleringen tillod Kasen og hans kolleger at beregne mængden og kemisk sammensætning af det producerede materiale. Forskerne udlede, at omkring 6 procent af en solmasse af tunge grundstoffer blev fremstillet. Udbyttet af guld alene var omkring 200 jordmasser, og platin med næsten 500 jordmasser.

I første omgang, astrofysikere troede, at almindelige supernovaer kunne tage højde for de tunge elementer, men der har altid været problemer med den teori, sagde medforfatter Enrico Ramirez-Ruiz, professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz. Ifølge Ramirez-Ruiz, de nye observationer understøtter teorien om, at neutronstjernefusioner kan stå for alt guldet i universet, samt cirka halvdelen af ​​alle de andre grundstoffer, der er tungere end jern.

"Det meste af tiden inden for videnskab arbejder du på gradvist at fremme et etableret emne, "Sagde Kasen." Det er sjældent, at man er til stede for fødslen af ​​et helt nyt felt af astrofysik. Jeg tror, ​​vi alle er meget heldige at have haft chancen for at spille en rolle. "

Kasens arbejde understøttes af det amerikanske energiministerium, og simuleringer blev muliggjort af ressourcer fra National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Kasens og Quataerts arbejde understøttes af Gordon og Betty Moore Foundation. Quataert understøttes også af Simons Foundation.