Пулсациите в космическото време, създадени от звезден катаклизъм в далечна галактика, помагат да се обясни космическият произход на златото и да се очертае курс за нова ера в астрономията, наблюдавайки електромагнитния спектър и гравитационните вълни.
Началото на нова ера в астрономията и физиката беше обявено в понеделник от учените, че за първи път са открили вълни в космическото време, известни като гравитационни вълни, които са образувани от сблъсъка на две неутронни звезди. На 17 август тези вълни от космоса достигнаха Земята в района на Индийския океан и бяха регистрирани от две детекторни станции на Американската лазерна интерферометрична гравитационна обсерватория (LIGO) и европейския детектор Дева, разположен в Италия.
Това е петият път през последните две години, когато учените регистрират такива вълни. Айнщайн е първият, който предсказва това явление, след като го е направил преди повече от 100 години. И тази година трима лидери на LIGO получиха Нобелова награда за физика за открития в областта на гравитационните вълни.
Всички наблюдавани преди това гравитационни вълни произхождат от сливането на черни дупки. Тези черни дупки са толкова плътни, че не отделят светлина. Следователно, подобно сливане на черни дупки е по същество невъзможно да се открие с конвенционални телескопи, въпреки невероятно мощните гравитационни вълни, които те генерират в последните моменти от своята неистова спирала на смъртта. Без по-голяма мрежа от гравитационни обсерватории астрономите не могат да определят точните места на сливащите се черни дупки, още по-малко да ги изучават и анализират в дълбочина.
Сливането на неутронни звезди обаче започва с обекти, които могат да бъдат много леки в сравнение с черните дупки. Неутронната звезда е силно компресирано ядро на масивна звезда с изтекъл срок на годност и се образува след експлозия на свръхнова. Гравитационното му поле е достатъчно силно, за да притиска и унищожава материя, голяма колкото цялото Слънце, превръщайки я в сфера от неутрони с размерите на голям град. По този начин това не е звезда в обичайния смисъл, а по-скоро ядро от атом с размерите на Манхатън. Гравитационната сила на неутронната звезда обаче все още е твърде малка, за да задържа светлина и следователно светкавица от сблъсъка на две такива звезди може да проникне в космоса, създавайки не само гравитационни вълни, но и една от най-ярките фойерверки във Вселената, която всеки може да види.
В този случай, когато първоначалният импулс на гравитационните вълни сигнализира за началото на сливането, фойерверките се състоят от изблик на гама-лъчение с продължителност от две секунди и последващо светене с различни дължини на вълните, което продължава няколко седмици. Почти всички астрономи и физици на нашата планета, които са знаели за това събитие, са били сред „всеки, който иска“. Изследователят на проекта Джули Макънери, работещ с гама-телескопа Fermi, който регистрира изблик на гама лъчи, нарече 17 август „най-прекрасното утро през всичките девет години на телескопа“.
Астрономите, работещи с физици от телескопа LIGO и Дева, положиха клетва за тайна. Огромният брой наблюдения по света неизбежно доведоха до разпространението на слухове, които сега са потвърдени. Това е световна кампания за наблюдение на сблъсъка и последствията от него. Избликът на нови наблюдения и появата на нови теории след сблъсъка е най-яркият пример за астрономия на гравитационните вълни. Това е нов клон на науката, който събира данни и изучава светлината, гравитационните вълни и субатомните частици от астрофизичните катаклизми.
Промоционално видео:
В същото време в няколко научни списания бяха публикувани огромен брой статии, чиито автори свързват последните събития с голямо разнообразие от явления и предлагат нови идеи в най-различни области, от фундаменталната ядрена физика до еволюцията на Вселената. Наред с други неща, това сливане даде възможност на наблюдателите да проследят произхода на черна дупка, която би могла да се образува при сблъсъка на неутронни звезди. Но едно откритие е буквално брилянтно. Това е убедително доказателство, че сливането на неутронни звезди е космическо топило, в което се появяват тежките елементи на нашата Вселена, включително уран, платина и злато.
Така че това говори много за факта, че радиоактивният материал в ядрения реактор, каталитичният преобразувател в колата ви и благородният метал в сватбения ви пръстен са резултат от сблъсъка на най-малките, плътни и екзотични звезди в нашата Вселена или поне онази част от тях, която може да избяга от черните дупки, образувани в резултат на сливането. Това откритие ще помогне за разрешаването на продължаващия дебат за космическия произход на тежките елементи, с който теоретиците се занимават повече от половин век. Повечето от водорода и хелия в нашата Вселена се появиха в първите моменти след Големия взрив. И повечето леки елементи, като кислород, въглерод, азот и т.н., са образувани чрез ядрен синтез в звездите. Но на въпроса за произхода на най-тежките елементи все още няма отговор.
„Попаднахме на златна мина! казва Лора Кадонати, астрофизик от Технологичния институт в Джорджия и заместник-прессекретар на LIGO. - Всъщност първо открихме гравитационната вълна и електромагнитното явление като едно астрофизично събитие. Гравитационните вълни ни разказват историята на случилото се преди катаклизма. Електромагнитното излъчване разказва за случилото се след това. Въпреки че това не са окончателни заключения, казва Кадонати, анализът на гравитационните вълни на това явление с течение на времето ще помогне да се разкрият подробностите за това как материята се „разпръсква“вътре в неутронни звезди при сливане и учените ще получат нови възможности за изследване на тези странни обекти, както и да разберат какъв размер те могат да достигнат, преди да се срутят и да се превърнат в черна дупка. Кадонати също отбелязва, че е имало някакво мистериозно закъснение от няколко секунди между края на взрива на гравитационната вълна и началото на гама-лъчението. Може би това е периодът от време, когато структурната цялост на сливащите се неутронни звезди за кратко устоява на неизбежния колапс.
Много изследователи отдавна са чакали това пробивно откритие. „Мечтите ми се сбъднаха“, казва астрофизикът Саболч Марка от Колумбийския университет и част от изследователския екип на LIGO. В края на деветдесетте години този човек стана привърженик на гравитационно-вълновата астрономия, допълнена от наблюдения на електромагнитния спектър. В онези години, спомня си Марк, той беше смятан за луд, който се опитваше да се подготви за бъдещи наблюдения на гравитационните вълни, въпреки че имаше още няколко десетилетия преди директното откриване на това явление. „Сега с моите колеги се чувстваме отмъстени“, казва той. „Изучихме тази система от сблъскващи се неутронни звезди в много разнообразен набор от сигнали. Видяхме го в гравитационни вълни, в гама лъчи, в ултравиолетова светлина, във видима и инфрачервена светлина,както и в рентгенови лъчи и радиовълни. Това е революцията и еволюцията в астрономията, на които бях възложил надеждите си преди 20 години."
Франция Кордова, директор на Националната научна фондация (федералната агенция, осигуряваща по-голямата част от финансирането на LIGO), заяви, че последното постижение е "исторически момент в науката" и че това е станало възможно благодарение на трайната и дългогодишна правителствена подкрепа на много астрофизични обсерватории. … „Откриването на гравитационни вълни, от първия кратък вибросеизмичен сигнал, чут по света до последния, по-дълъг сигнал, не само оправдава рискованата, но възнаграждаваща инвестиция от Националната научна фондация, но и ни тласка към направете повече в тази посока, казва Кордова. - Надявам се, че NSF ще продължи да подкрепя новатори и иновации,това ще трансформира нашите знания и ще вдъхнови идните поколения."
Каква чудесна възможност
Когато бяха открити първоначалните гравитационни вълни от сливането, последвани от гама лъчи (незабавно открити от учените с помощта на телескопа Ферми и космическите телескопи INTEGRAL), започна състезание, за да разбере какъв е източникът на сблъсъка в космоса, както и неговото последващо сияние. Много бързо многобройни екипи от учени насочиха наличните телескопи към онази част от небето, където според изчисленията на изследователите с LIGO и Дева трябваше да бъде източникът. Това беше част от небето, покриваща 31 квадратни градуса, съдържаща стотици галактики. (Ако се използваше само обсерваторията LIGO, каза Кадонати, тези наблюдения биха били подобни на търсенето на златен пръстен, лежащ на дъното на Тихия океан. Но с трета точка от данни на Дева, казва тя, изследователите са успели да изчислят местоположението на източника.и в резултат на това наблюденията станаха по-скоро „търсене на златния пръстен в Средиземно море.“)
Основната част от наблюденията са извършени от учени от чилийски обсерватории. Те започнаха работата си веднага след залез слънце, когато желаната част от небето излезе от хоризонта. Различни екипи от учени използваха голямо разнообразие от стратегии за търсене. Някой просто е извършвал непрекъснато наблюдение на част от небето, като методично се е придвижвал от едната страна на другата; някой е насочен към галактики, в които неутронните звезди е най-вероятно да се слеят. В крайна сметка втората стратегия се оказа печеливша.
Първият, който видя оптичното отблясъци, беше докторант и изследовател от Калифорнийския университет, Санта Круз, Чарлз Килпатрик. Той седна на бюрото си в кабинета си и разгледа изображения на някои галактики, след като получи задача от един от колегите си астрономи Райън Фоли, който помогна за организирането на проекта. Деветото изображение, което той започна да изучава, беше снимка, която бе заснета набързо от колеги от другия край на света, работещи върху огромния телескоп Swope в обсерваторията Лас Кампанас в Чили. Именно на него той видя това, което всички търсеха: яркосиня точка в центъра на гигантска елипсовидна галактика, която представлява куп стари червени звезди на възраст 10 милиарда години, които се намираха на разстояние от 120 милиона светлинни години. Всички те бяха безименнис изключение на обозначенията в каталозите. Смята се, че именно в такива галактики най-често се случват сливания на неутронни звезди, тъй като те са стари, техните звезди имат висока плътност и в такива галактики има немалко млади звезди. Сравнявайки това изображение с по-ранни изображения на същата галактика, Килпатрик не видя такава точка върху тях. Това беше нещо ново, съвсем наскоро. „Наистина бавно ме осъзна какъв исторически момент беше това“, спомня си Килпатрик. "Но по това време бях съсредоточен върху задачата си, опитвайки се да работя възможно най-бързо."Сравнявайки това изображение с по-ранни изображения на същата галактика, Килпатрик не видя такава точка върху тях. Това беше нещо ново, съвсем наскоро. „Наистина бавно ме осъзна какъв исторически момент беше това“, спомня си Килпатрик. "Но по това време бях съсредоточен върху задачата си, опитвайки се да работя възможно най-бързо."Сравнявайки това изображение с по-ранни изображения на същата галактика, Килпатрик не видя такава точка върху тях. Това беше нещо ново, съвсем наскоро. „Наистина бавно ме осъзна какъв исторически момент беше това“, спомня си Килпатрик. "Но по това време бях съсредоточен върху задачата си, опитвайки се да работя възможно най-бързо."
Килпатрик сподели гледката с други членове на екипа си, включително астрономът на Карнеги Джош Саймън, който бързо получи изображение за потвърждение с един от най-големите телескопи на Магелан в Чили, с диаметър шест и половина метра. Синята точка също присъства в тези изображения. В продължение на един час Саймън измерва спектъра на тази точка, тоест различните цветове на светлината, която излъчва. Направи го на сдвоени кадри със скорост на затвора от пет минути. Саймън вярваше, че подобни спектрални изображения ще се окажат полезни за по-нататъшни изследвания. И ако не, тогава във всеки случай те ще могат да докажат, че това не е просто някаква обикновена свръхнова или някакъв друг космически измамник. Междувременно други екипи от учени също забелязаха тази точка и започнаха да я изучават. Но екипът на Фоли по-бързо от другите намери потвърждение и извърши спектрален анализ, осигурявайки водещата роля в това откритие. „Бяхме първите, които получихме изображението, и бяхме първите, които идентифицирахме източника на това изображение“, казва Саймън. „И тъй като получихме и първото, и второто много бързо, успяхме да направим първия спектрален анализ на това сливане, което никой в Чили не можа да направи тази нощ. След това обявихме откритието си пред цялата научна общност. "След това обявихме откритието си пред цялата научна общност. "След това обявихме откритието си пред цялата научна общност."
Тези първи спектрални наблюдения се оказаха изключително важни за последващия анализ и разгадаване на някои загадки. Те показаха, че остатъците от синтеза бързо се охлаждат и губят яркосинята си светлина, която се превръща в дълбок рубин. Тези данни бяха проверени и потвърдени в хода на наблюденията през следващите седмици, докато видимата точка избледняваше и избледняваше, а нейното последващо сияние се изместваше и ярка светлина преминаваше в инфрачервената област на спектъра с по-дълга дължина на вълната. Общите модели на цвят, охлаждане и разширяване бяха много сходни с това, което много теоретици, работещи независимо един от друг, бяха предсказвали преди това. На първо място, това са Брайън Мецгер от Колумбийския университет и Дан Касен от Калифорнийския университет, Бъркли.
Накратко, обяснява Мецгер, това, което астрономите са видели след това сливане, може да се нарече „килонова“. Това е интензивен изблик на светлина от освобождаването и последващо радиоактивно разпадане на горещо в бяло, богат на неутрон материал от неутронна звезда. Тъй като този материал се разширява и охлажда, по-голямата част от неговите неутрони се улавят от ядрата на желязото и други тежки елементи, останали като пепел от експлозията на свръхнова и образуването на неутронна звезда. „Това води до създаването на още по-тежки елементи в рамките на около една секунда, когато изхвърлените частици улавят тези неутрони и се разширяват в пространството. Едно от тези сливания образува долната половина на периодичната система, а именно злато, платина, уран и т.н. “, казва Мецгер. На последния етап светлината от килоновата се измества рязко в инфрачервената зона, когато неутроните, каскадиращи от изтласкването, образуват най-тежките елементи, които много ефективно абсорбират видимата светлина.
Измерването на спектралните промени в тялото на килонова от своя страна позволява на астрономите да определят броя на различни елементи, образувани по време на процеса на синтез. Едо Бергер, който изучава килонови в Смитсоновия център по астрофизика и ръководи многобройните и най-амбициозни наблюдения на това сливане, казва, че събитието е създало тежки елементи с тегло 16 000 земни маси. „Всичко е там: злато, платина, уран и други, най-странните елементи, които познаваме под формата на букви в периодичната таблица, въпреки че не знаем имената им“, казва той. „Що се отнася до разпадането, точният отговор на този въпрос все още не е известен за нас.“
Някои теоретици предполагат, че количеството злато, образувано в резултат на сливането, е само няколко десети от земната маса. Мецгер от своя страна вярва, че това число е равно на около 100 земни маси. Според него платината се е образувала три пъти повече от земната маса, а уранът - 10 пъти по-малко. Във всеки случай, ако сравним новите статистически оценки за честотата на подобни сливания, базирани на последните измервания, тогава ще получим доста голям брой такива събития. „Има достатъчно от тях, за да образуват и натрупват елементите, които формират нашата собствена слънчева система и разнообразието от звезди, което виждаме“, казва Мецгер „Въз основа на това, което видяхме, тези сливания могат да бъдат обяснени в детайли. Вероятно има и други начини за образуване на тежки елементи, но изглежда такаче нямаме нужда от тях. Според него на всеки 10 хиляди години в Млечния път има само едно сливане на неутронни звезди.
Далечни граници
Нещо повече, изучаването на процеса на синтез и образуване на килоновата може да ни предостави много важна информация за това как е възникнал сблъсъкът. Например светлината от първоначалното изхвърляне след сливането беше по-силна, отколкото учените очакваха. Въз основа на това Мецгер и други учени стигнаха до заключението, че те гледат на килоновата от ъгъл, а не директно. Въз основа на този сценарий първоначалното изхвърляне на синьо идва от сферична обвивка или екваториална лента от материал с ниски неутрони, който е издухван от неутронни звезди с приблизителна скорост 10% от скоростта на светлината. По-късно и по-червените емисии биха могли да дойдат от материал с високо съдържание на неутрон, който се изхвърля от полюсите на неутронните звезди, когато се сблъскат със скорост два до три пъти по-бърза - като паста за зъби.изцеден от тръбата.
Ако сравним този сценарий с подробни данни за наблюдение в рентгеновите и радио обхватите, тогава много любопитният характер на излъчването на гама-лъчи, свързано с такова сливане, става по-ясно. Това беше най-близкият записан гама-лъч, но и един от най-слабите. Смята се, че краткотрайните изблици на гама лъчи са биполярни изблици на интензивно излъчване, което се ускорява и изхвърля с близка скорост на светлината от магнитни полета вътре в сблъскващи се неутронни звезди, когато се слеят и се срутят в черна дупка. Ако погледнете директно тази светкавица на гама-лъчение (така да се каже, очи в очи), тя ще бъде много ярка. Това се случва в повечето случаи на такива емисии, които астрономите наблюдават в отдалечени части на Вселената. Но когато погледнете тези изблици на гама лъчи от ъгъл, те изглеждат доста приглушени и могат да бъдат открити само ако са съвсем близо, в рамките на няколкостотин милиона светлинни години.
По този начин, използвайки изобилието от данни, натрупани от гравитационно-вълновата астрономия, учените ще могат да определят с течение на времето ъглите на гледане на много килонове в цялата наблюдаема част на Вселената и това ще им позволи да измерват по-точно мащабните космически структури и да изучават тяхната еволюция. Учените ще имат възможност да разгадаят онези мистерии, които са много по-дълбоки от произхода на тежките елементи, да речем, объркващото обстоятелство, че Вселената не просто се разширява, а се разширява с ускорение под въздействието на мащабна антигравитационна сила, известна като тъмна енергия.
Изследователите в областта на космологията се надяват, че ще могат да разберат по-добре тъмната енергия чрез точно измерване на нейното въздействие върху Вселената, да проследят обекти в отдалечени региони на Вселената, да разберат колко далеч са те и колко бързо се движат в ускоряващите се потоци тъмна енергия. Но за това учените се нуждаят от надеждни „стандартни свещи“, тоест обекти с известна яркост, които биха могли да бъдат използвани за калибриране на това огромно, всеобхватно поле на пространство-времето. Астрофизикът Даниел Холц от Чикагския университет и LIGO демонстрира как сливането на неутронни звезди може да допринесе за това усилие. В своята работа той показва, че силата на гравитационните вълни, образувани по време на последното сливане,а също така емисиите на килонова могат да се използват за изчисляване на скоростта на разширяване на най-близките части на Вселената. Този метод е ограничен само до едно сливане и следователно има значителна несигурност в стойностите си, въпреки че потвърждава данните за скоростта на разширяване, получени с други методи. Но през следващите години обсерваториите с гравитационни вълни, както и наземните и космически телескопи от ново поколение и големи размери, ще работят заедно, откривайки стотици и дори хиляди сблъсъци на неутронни звезди всяка година. В този случай точността на оценките ще се увеличи значително.въпреки че потвърждават данните за скоростта на разширяване, получени с помощта на други методи. Но през следващите години обсерваториите с гравитационни вълни, както и наземните и космическите телескопи от ново поколение и големи размери, ще работят заедно, откривайки стотици или дори хиляди сблъсъци на неутронни звезди всяка година. В този случай точността на оценките ще се увеличи значително.въпреки че потвърждават данните за скоростта на разширяване, получени с помощта на други методи. Но през следващите години обсерваториите с гравитационни вълни, както и наземните и космически телескопи от ново поколение и големи размери, ще работят заедно, откривайки стотици и дори хиляди сблъсъци на неутронни звезди всяка година. В този случай точността на оценките ще се увеличи значително.
„Какво означава всичко това? И фактът, че измерванията на гравитационните вълни от тези сливания, извършени от LIGO и Дева, ще бъдат допълнени от модели на килонова и тогава учените ще могат да разберат какви са техните наклонности и ъгли на видимост, изследвайки тяхната спектрална еволюция от синьо до червено. " Това твърди астрофизикът Ричард О'Шонеси от Технологичния институт в Рочестър и член на екипа на LIGO. „Това е много мощно обединяване на усилията. Ако знаем наклона, можем да изчислим разстоянието, което ще бъде много полезно за космологията. Това, което е направено сега, е прототип на това, което ще правим редовно в бъдеще."
"Ако се замислите, Вселената е един вид сблъсък на космически частици, а частиците в този сблъсък са неутронни звезди", казва О'Шонеси. - Той избутва тези частици и сега имаме възможността да разберем какво излиза от това. През следващите години ще видим голям брой такива събития. Не знам точно колко ще има, но хората вече го наричат космически дъжд. Това ще ни даде реални данни, които ще ни позволят да свържем много различни и резки направления на астрофизиката, които преди са съществували само в съзнанието на теоретиците или под формата на отделни части от информация в модели на суперкомпютри. Това ще ни даде възможност да разберем причините за изобилието от тежки елементи в космоса. Това ще ни даде възможности за изучаване на мека и лесно сгъстима ядрена материя при условия на огромна плътност. Ще можем да измерим скоростта на разширяване на Вселената. Подобни съвместни усилия ще предоставят огромни възможности за астрофизика с висока енергия и ще поставят много предизвикателства през следващите десетилетия. И основата за такова сътрудничество ще бъдат дългосрочните инвестиции. Днес берем плодовете на огромна златна планина, чиято маса е десетки или дори стотици пъти масата на Земята. Този подарък ни беше представен от Вселената”.
Лий Билингс е заместник-главен редактор на Scientific American. Пише за космоса и физиката.