Обсерваторията LIGO, чиито създатели получиха Нобеловата награда за 2017 г., вече промени света на астрономията. Когато учени от международната научна общност LIGO откриха първите гравитационни вълни през 2016 г., те откриха нов начин за наблюдение на Вселената. За първи път учените успяха да „изслушат“колебанията в пространството-времето, възникнали от сблъсъка на големи предмети (например черни дупки).
Но това беше само началото. Целта беше да се комбинира наблюдението на гравитационните вълни с данни от по-конвенционалните телескопи.
През октомври 2017 г. в Physical Review Letters екипът от учени LIGO, който включва няколко хиляди души по целия свят, публикува серия от документи за невероятното откритие. Изследователите успяха не само да открият гравитационни вълни от сблъсъка на две неутронни звезди, но и да определят техните координати в небето, както и да наблюдават явлението чрез оптични и електромагнитни телескопи.
„Това е една от най-пълните истории на астрофизичен феномен, който може да се представи“, казва физикът Питър Солсън от Сиракузския университет и член на общността LIGO.
Всеки източник разказва своята част от историята
Гравитационните вълни казват на физиците размера и разстоянието на обектите, което им позволява да пресъздадат момента, преди да се сблъскат. Наблюденията на видимата радиация и електромагнитните вълни след това запълват празнините, които гравитационните вълни не могат да обяснят. Те помагат на астрономите да разберат от какви предмети са направени и от какви химически елементи са възникнали сблъсъка. В нашия случай учените успяха да заключат, че експлозията по време на сливането на неутронни звезди доведе до появата на тежки елементи - злато, платина и уран (което по-рано се предполагаше само, но не можеше да бъде потвърдено чрез пряко наблюдение).
Сега учените успяха да видят със собствените си очи алхимията на Вселената в действие. "Мисля, че влиянието на това откритие върху науката ще бъде по-значително от първото откриване на черни дупки чрез гравитационни вълни", казва Дънкан Браун, друг учен от общността LIGO и университета в Сиракуза. "Тук са включени много аспекти на физиката и астрономията." И всичко това е резултат от търсене на съкровища сред звездите, в който участва целия свят.
Промоционално видео:
Състезание срещу времето. Място, маркирано с кръст
На 17 август в 8:41 ч. LIGO открива гравитационни вълни - кривината на времето и пространството - преминаващи през Земята. LIGO е две Г-образни обсерватории в американските щати Луизиана и Вашингтон. Те могат да регистрират вълни, които компресират и разтягат пространствено-времевия континуум.
През последните две години LIGO успя да открие гравитационни вълни, генерирани от сблъскване на черни дупки. Но сигналът на 17 август беше съвсем различен. Оказа се много по-силен от това, което беше записано при откриването на черната дупка. Новият сигнал продължи 100 секунди, докато сигналите от черни дупки само няколко. Това означаваше, че сблъсъкът се е състоял много по-близо до Земята.
Когато LIGO открие гравитационни вълни, той автоматично изпраща известия до стотици учени по целия свят. Дънкан Браун е един от тях. „Много бързо получихме сигнал по телефона и разбрахме, че това е неочаквано силен сигнал за гравитационни вълни. Това ни шокира “, спомня си той.
Веднага стана ясно, че това не е сливане на черни дупки. Първоначалният анализ показа, че вълните произлизат от сблъсъка на две неутронни звезди - обекти с много висока плътност. Смята се, че вътре в тях се образуват тежки химически елементи.
Когато LIGO открие гравитационни вълни от сблъскване на черни дупки, на небето нищо не може да се види: черните дупки, както подсказва името им, са тъмни. Какво ще кажете за сблъсък на две неутронни звезди? Спектакълът трябва да е като пъстър фойерверк.
Обсерватория Сара Уилкинсън / Лас Кампанас
И така се случи: две секунди след LIGO сигнала космическият телескоп на НАСА засича гама-лъч - един от най-мощните изблици на експлозивна енергия във Вселената, познат ни. Дълго време астрономите са изграждали теории, че сливането на неутронни звезди може да предизвика избухвания на гама-лъчи. И сега това не може да е случайност.
В същото време светлината от такъв експлозивен синтез бързо затъмнява. Броят продължи минути и учените от международната научна общност LIGO бяха принудени да побързат. „Колкото по-бързо стигнете до телескопа, толкова повече информация получавате“, казва Браун. Изследвайки светлината и как тя се променя, учените могат да извлекат богатство от информация, която ще им помогне да разберат по-добре неутронните звезди и как те имат значение тяхното сливане.
Браун и неговите колеги се заеха да работят, организирайки телеконференции с десетки учени по света. Екипът на LIGO работи с партньори от VIRGO, италианска обсерватория за гравитационни вълни, за да работи с удвоени усилия, за да картографира небето и да открие източника на гравитационните вълни. Те присвиха търсенето си до област с размер на юмрук на дължина на ръката. (От астрономическа гледна точка, дори този регион представлява огромно пространство. Район на карта с клечка с глава на дължина на ръката може да съдържа хиляди галактики.) Детекторът VIRGO в Италия не вдигна сигнала, което помогна да се определи положението на звездите. VIRGO има зони без прием, поради което неутронните звезди трябва да са разположени близо до една от тях.
Тази небесна карта е резултат от комбиниране на информация от Fermi, LIGO, VIRGO и Integral (друга обсерватория на гама лъчи). Всеки детектор предоставя зона, в която може да се появи сигнал. Там, където се припокриваха, беше посочено мястото, отбелязано с кръст на картата на космическите съкровища.
Карта в ръка, екипът на LIGO изпраща имейли до астрономи по целия свят, които могат да изследват този регион на небето, когато падна нощта.
И късметът не ги подмина! Няколко наземни обсерватории успяха да открият положението на килона (или макрон) - експлозия от сблъсъка на две неутронни звезди. Снимката вляво показва какво са заснели астрономите в откриващата нощ. Вдясно е как изглеждаше няколко дни по-късно. Експлозията забеляза забележимо.
1M2H / UC Санта Круз и обсерватория Карнеги / Ryan Foley
Ето как изглеждаше галактиката няколко седмици преди формирането на килонова (горно изображение). На долното изображение се вижда експлозия.
The Dark Energy Camera GW-EM Сътрудничество и DES / Berger Сътрудничество
Изображенията може да изглеждат размити, но има много информация за тях. С точни координати учените могат да настроят космическия телескоп Хъбъл и Космическата рентгенова обсерватория Чандра, за да експлодират килонова. С помощта на тези инструменти астрономите ще могат да гледат на процеса на Вселената с едно око.
Как сблъскащите се неутронни звезди създават злато
Нейтронните звезди са необичайни космически тела. Те се образуват в резултат на гравитационния срив на звездите (например по време на експлозии на свръхнови) и имат много висока плътност. Представете си предмет с маса като Слънцето, но само 25 километра в диаметър. Това са 333 000 маси от цялата Земя, компресирани в топка с големина на Централния окръг на Москва. Налягането вътре е толкова огромно, че там могат да съществуват само неутрони (протони, слети с електрони).
В галактика на 130 милиона светлинни години два такива обекта „танцуваха“един около друг, движейки се в орбита и все по-близо и по-близо. Те се сблъскаха и освободената енергия през Вселената изпрати вълна, която изкривява времето и пространството, и поток от частици (избухване на гама-лъч, засечено заедно с гравитационните вълни). Както гравитационните вълни, така и гама лъчите пътуваха със скоростта на светлината. Това е още едно доказателство за общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. Възможно е след сливането неутронните звезди да образуват нова черна дупка, тъй като да имат достатъчна маса. Все още обаче няма достатъчно информация за еднозначно твърдение.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Но едно може да се каже със сигурност: след експлозията много от останалите неутрони се комбинираха и образуваха химически елементи.
Всички ние и всеки елемент на Земята сме направени от звезди. В резултат на Големия взрив в началото на времето се образуват много леки елементи - водород и хелий. Тези елементи се комбинират и образуват звезди, вътре в които по време на реакциите на синтез се появяват елементи с по-големи и по-големи маси.
Когато звездите преминаха свръхнова (срив и последваща експлозия), бяха създадени още по-тежки елементи. Според Браун обаче появата на злато и платина отдавна е загадка. Дори експлозии на свръхнови не са достатъчно мощни, за да ги създадат.
Има теории, че една килона звезда (образувана от сливането на две неутронни звезди) е способна да произвежда тези метали. И тъй като астрономите успяха да определят своевременно мястото, където е станало сливането, те потвърдиха тази теория. Цветът и качеството на светлината, останала след експлозията, потвърдиха образуването на злато и платина. Учените сякаш са наблюдавали алхимия в действие.
„Златото на Земята някога е било създадено след ядрен взрив от сливане [на неутронни звезди]“, обяснява Браун. - Сега имам платинен сватбен пръстен на пръста си. Помислете само, тя се появи поради сблъсъка на неутронни звезди!"
Идва нова ера в астрономията
Описаното откритие бележи началото на нова ера в астрономията. Учените ще могат да изучават небесни тела не само с помощта на светлина и радиация, които излъчват, но и да комбинират тези наблюдения с информация, получена по време на анализа на гравитационните вълни. Тази информация съдържа как двете неутронни звезди се движеха една около друга при сблъсъка, както и огромна информация за нейните последици.
Вдясно - визуализация на веществото на неутронните звезди. Отляво - изкривяване на пространството и времето в близост до експлозии. Karan Janey / Georgia Institute of Technology
Комбинацията от всички източници на информация се нарича многоканална астрономия, тоест астрономия, основана на добавянето на наблюдения на електромагнитния спектър с гравитационно-вълнови наблюдения. Това е мечтата на учените от LIGO от създаването на обсерваторията.
„Представете си, че живеете в стая без прозорци и всичко, което можете да направите, е да чуете гръм, но да не видите мълния“, обяснява Вики Калогера, астрофизик от Северозападния университет и член на общността LIGO. - Сега си представете, че сте били преместени в стая с прозорец. Отсега нататък не само чувате гръм, но и виждате мълния. Светкавицата предоставя напълно нова възможност за изучаване на гръмотевични бури и разбиране на това, което наистина се случва."
Гравитационните вълни са гръмотевици. Наблюдение на експлозии чрез телескоп - мълния.
Само преди месец тримата основатели на LIGO получиха Нобеловата награда по физика за своята пионерска работа. Както отбеляза Ед Йънг от The Atlantic, присъждането на наградата на трима от стотиците, които са допринесли значително за проекта LIGO, създава неудобна и противоречива ситуация. Скорошните резултати обаче показват, че наградата за научна работа е заслужена.
Най-хубавото при наблюдаването на гравитационните вълни е, че процесът е пасивен. LIGO и VIRGO ще „чуят“всички гравитационни вълни, минаващи покрай Земята в същия ден. Всеки сигнал бележи началото на ново търсене на „съкровища“, защото учените трябва да разберат какво е създало колебанията в пространството и времето.
Астрономите се надяват да видят повече сливания както на черни дупки, така и на неутронни звезди. Но могат да се открият още по-интересни явления. Ако обсерваториите LIGO и VIRGO продължат да се подобряват, има вероятност да бъде възможно да се открият гравитационни вълни, останали от Големия взрив. Или по-вълнуващо е, че тези обсерватории ще могат да открият източници на гравитационни вълни, които по-рано са били неизвестни и не са могли да прогнозират.
„Беше ми тъжно, че се родих след първото кацане на Луната“, каза Томас Корбит, физик и член на общността LIGO в Луизинския държавен университет. - Но когато станете свидетел на подобни събития, които служат като доказателство за големия успех на съвместните дейности, се появява вдъхновение. Те ни дават повече знания за Вселената “.
Оригиналната статия на английски е достъпна тук.
