LIGO vaatluskeskus, mille loojad said 2017. aasta Nobeli preemia, on astronoomiamaailma juba muutnud. Kui rahvusvahelise teadusringkonna LIGO teadlased avastasid 2016. aastal esimesed gravitatsioonilained, avastasid nad uue võimaluse universumi vaatlemiseks. Esmakordselt suutsid teadlased "kuulata" ruumi-aja kõikumisi, mis tulenevad suurte objektide (näiteks mustade aukude) kokkupõrkest.
Kuid see oli alles algus. Eesmärk oli ühendada gravitatsioonilainete vaatlus tavapäraste teleskoopide andmetega.
2017. aasta oktoobris avaldas Physical Review Letters LIGO teadlaste meeskond, kuhu kuulub mitu tuhat inimest üle maailma, seeria pabereid uskumatu avastuse kohta. Teadlased suutsid mitte ainult tuvastada kahe neutronitähe kokkupõrkest tekkinud gravitatsioonilisi laineid, vaid ka määrata nende koordinaadid taevas, samuti jälgida nähtust optiliste ja elektromagnetiliste teleskoopide abil.
"See on üks kõige täiuslikumaid lugusid astrofüüsikalisest nähtusest, mida võimalik ette kujutada," ütleb Syracuse ülikooli füüsik Peter Solson ja LIGO kogukonna liige.
Iga allikas räägib oma osa loost
Gravitatsioonilised lained annavad füüsikutele teada objektide suuruse ja kauguse, mis võimaldab neil uuesti luua hetke enne kokkupõrget. Nähtava kiirguse ja elektromagnetiliste lainete vaatlus täidab need lüngad, mida gravitatsioonilised lained ei suuda seletada. Need aitavad astronoomidel välja selgitada, millistest objektidest need olid valmistatud ja millised keemilised elemendid kokkupõrkest tulid. Meie puhul suutsid teadlased järeldada, et neutrontähtede liitmise ajal toimunud plahvatus tõi kaasa raskete elementide - kulla, plaatina ja uraani - ilmnemise (mida varem ainult oletati, kuid otsese vaatluse teel seda kinnitada ei õnnestunud).
Nüüd on teadlastel õnnestunud oma silmaga näha toimiva universumi alkeemiat. "Ma arvan, et selle avastuse mõju teadusele on märkimisväärsem kui mustade aukude esmakordne avastamine gravitatsioonilainete kaudu," ütles teine LIGO kogukonna ja Syracuse ülikooli teadlane Duncan Brown. "Siin on seotud paljud füüsika ja astronoomia aspektid." Ja see kõik on tähtede vahel toimunud aardejahi tulemus, millesse on kaasatud kogu maailm.
Reklaamvideo:
Võidujooks aja vastu. Koht tähistatud ristiga
17. augustil kell 8.41 tuvastas LIGO Maa läbiva gravitatsioonilaine - aja ja ruumi kumeruse. LIGO on kaks L-kujulist observatooriumi USA-s Louisiana ja Washingtoni osariikides. Nad saavad registreerida laineid, mis tihendavad ja venitavad ruumi-aja pidevust.
Viimase kahe aasta jooksul on LIGO suutnud tuvastada gravitatsioonilaineid, mis on tekkinud mustade aukude kokkupõrkel. Kuid 17. augusti signaal oli hoopis teine. See osutus palju tugevamaks kui see, mis musta augu avastamisel lindistati. Uus signaal kestis 100 sekundit, mustade aukude signaalid aga vaid vähesed. See tähendas, et kokkupõrge toimus Maale palju lähemal.
Kui LIGO tuvastab gravitatsioonilained, saadab see automaatselt teatised sadadele teadlastele kogu maailmas. Duncan Brown on üks neist. „Saime väga kiiresti telefonihoiatuse ja saime aru, et see oli ootamatult tugev signaal gravitatsioonilainete kohta. See šokeeris meid,”meenutab ta.
Kohe selgus, et see ei olnud mustade aukude ühinemine. Esialgne analüüs näitas, et lained pärinesid kahe neutrontähe - väga suure tihedusega objektide - kokkupõrkest. Arvatakse, et nende sees moodustuvad rasked keemilised elemendid.
Kui LIGO tuvastab mustade aukude kokkupõrkel gravitatsioonilisi laineid, pole taevas midagi näha: mustad augud, nagu nende nimi viitab, on tumedad. Mis saab kahe neutronitähe kokkupõrkest? Prill peaks olema nagu värvikas ilutulestik.
Sarah Wilkinson / Las Campanase vaatluskeskus
Ja nii juhtus: kaks sekundit pärast LIGO signaali tuvastas NASA Fermi kosmoseteleskoop gammakiirguse purunemise - ühe meile teadaoleva universumi võimsaima plahvatusliku energia purunemise. Astronoomid on pikka aega ehitanud teooriaid, et neutrontähtede ühinemine võib põhjustada gammakiirguse purunemisi. Ja nüüd ei saanud see olla juhus.
Samal ajal summutab sellise plahvatusohtliku sulamise valgus kiiresti. Loendus kestis minuteid ja rahvusvahelise teadusringkonna LIGO teadlased olid sunnitud kiirustama. "Mida kiiremini teleskoobi juurde jõuate, seda rohkem teavet saate," ütleb Brown. Valgust uurides ja kuidas see muutub, saavad teadlased koguda hulgaliselt teavet, mis aitab neil paremini mõista neutronitähti ja seda, kuidas nad muutuste ainet ühendavad.
Brown ja tema kolleegid said tööle, korraldades telekonverentse kümnete teadlastega kogu maailmas. LIGO meeskond tegi koostööd Itaalia gravitatsioonilainete vaatluskeskuse VIRGO partneritega, et töötada kahekordse pingutusega taeva kaardistamiseks ja gravitatsioonilainete allika leidmiseks. Nad kitsendasid oma otsingut rusika suuruseks, käeulatuses. (Astronoomilisest vaatepunktist on isegi see piirkond tohutu ruum. Kaardi ala, mille tikupea on käe kaugusel, võib sisaldada tuhandeid galaktikaid.) VIRGO-detektor Itaalias ei võtnud signaali, mis aitas tähtede asukohta kindlaks teha. VIRGO-l puuduvad tsoonid, mistõttu neutronitähed pidid asuma ühe läheduses.
See taevakaart on Fermi, LIGO, VIRGO ja Integral (teine gammakiirguse vaatluskeskus) teabe ühendamise tulemus. Iga detektor sisaldas piirkonda, kus signaal võis tekkida. Seal, kus need kattusid, märgiti kosmiliste aarete kaardil ristiga märgitud koht.
Kaart käes, saatis LIGO meeskond e-kirju astronoomidele kogu maailmas, kes öösel seda taeva piirkonda võiksid uurida.
Ja õnn ei möödunud neist! Mitmed maapealsed vaatluskeskused suutsid tuvastada kilo (või makroni) asukoha - plahvatus kahe neutronitähe kokkupõrkest. Vasakpoolsel fotol on näha, mida astronoomid avaööl jäädvustasid. Paremal on see, kuidas see mõni päev hiljem välja nägi. Plahvatus tuhmus märgatavalt.
1M2H / UC Santa Cruz ja Carnegie observatoorium / Ryan Foley
Nii nägi galaktika paar nädalat enne kilonova moodustumist (ülemine pilt). Alumisel pildil on plahvatus.
Dark Energy Camera GW-EM koostöö ja DES / Bergeri koostöö
Pildid võivad tunduda hägused, kuid nende kohta on palju teavet. Täpsete koordinaatide abil saavad teadlased Honoble'i kosmoseteleskoopi ja Chandra kosmose röntgenikiirte vaatluskeskust häälestada kilonova plahvatama. Nende tööriistade abil saavad astronoomid universumi protsessi ühe silmaga vaadata.
Kuidas põrkuvad neutronitähed tekitavad kulda
Neutronitähed on ebatavalised kosmilised kehad. Need moodustuvad tähtede gravitatsioonilise kokkuvarisemise tagajärjel (näiteks supernoova plahvatuste ajal) ja neil on väga suur tihedus. Kujutage ette objekti, mille mass on nagu Päike, kuid mille läbimõõt on vaid 25 kilomeetrit. See on 333 000 massi kogu Maast, surutud Moskva keskringkonna suuruseks kuuliks. Rõhk sees on nii tohutu, et seal võivad eksisteerida ainult neutronid (elektronidega sulandatud prootonid).
130 miljoni valgusaasta kaugusel asuvas galaktikas tantsisid kaks sellist objekti üksteise ümber, liikudes orbiidil ja lähenedes üha lähemale. Need põrkasid kokku ja Universumi kaudu vabanenud energia saatis lainet, mis moonutab aega ja ruumi, ning osakeste voogu (tuvastati gammakiirguse purunemine koos gravitatsiooniliste lainetega). Nii gravitatsioonilained kui ka gammakiir liikusid valguse kiirusel. See on veel üks tõestus Albert Einsteini üldisest relatiivsusteooriast. Võimalik, et pärast ühinemist moodustasid neutronitähed uue musta augu, kuna nende mass oli piisav. Kuid ühemõttelise väite jaoks pole veel piisavalt teavet.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Kuid ühte asja võib juba kindlalt öelda: pärast plahvatust ühendasid paljud järelejäänud neutronid keemilised elemendid.
Kõik me ja kõik maakera elemendid on tehtud tähtedest. Suure paugu tagajärjel tekkisid aja alguses väga kerged elemendid - vesinik ja heelium. Need elemendid moodustasid tähed, mille sees termotuumareaktsioonide ajal ilmusid suurema ja suurema massiga elemendid.
Kui tähed läksid supernoovaks (kokkuvarisemine ja sellele järgnenud plahvatus), tekkisid veelgi raskemad elemendid. Kulla ja plaatina välimus on Browni sõnul aga juba pikka aega olnud müsteerium. Isegi supernoova plahvatused pole nende loomiseks piisavalt võimsad.
On olnud teooriaid, et kilotäht (moodustatud kahe neutrontähe liitmisel) on võimeline neid metalle tootma. Ja kuna astronoomid suutsid ühinemise toimumise koha õigeaegselt kindlaks teha, kinnitasid nad seda teooriat. Pärast plahvatust alles jäänud valguse värvus ja kvaliteet kinnitasid kulla ja plaatina teket. Tundus, et teadlased jälgisid alkeemiat tegevuses.
"Kuld Maal loodi kunagi pärast [neutronitähtede] ühinemisel tekkinud tuumaplahvatust," selgitab Brown. - Nüüd on mul sõrmes plaatina abielusõrmus. Mõelda vaid, see ilmus neutronitähtede kokkupõrke tõttu!"
Astronoomias on saabumas uus ajastu
Kirjeldatud avastus tähistab uue ajastu algust astronoomias. Teadlased saavad taevakehi uurida mitte ainult kiirgava valguse ja kiirguse abil, vaid ühendada need vaatlused ka gravitatsioonilainete analüüsi käigus saadud teabega. See teave sisaldab seda, kuidas kaks neutronitähte liikusid kokkupõrke korral üksteise ümber, samuti tohutul hulgal teavet selle tagajärgede kohta.
Paremal - neutronitähtede aine visualiseerimine. Vasakul - ruumi-aja moonutamine plahvatuste lähedal. Karan Janey / Georgia Tehnoloogiainstituut
Kõigi teabeallikate kombinatsiooni nimetatakse mitmekanaliliseks astronoomiaks, see tähendab astronoomiaks, mis põhineb elektromagnetilise spektri vaatluste lisamisel gravitatsioonilaine vaatlustega. See on LIGO teadlaste unistus olnud alates observatooriumi asutamisest.
"Kujutage ette, et elate aknata ruumis ja kõik, mida saate teha, on kuulda müristamist, kuid mitte näha välku," selgitab Northwesterni ülikooli astrofüüsik Vicki Kalogera ja LIGO kogukonna liige. - Kujutage nüüd ette, et teid koliti aknaga tuppa. Nüüdsest ei kuule mitte ainult äikest, vaid näete ka välku. Välk annab täiesti uue võimaluse äikese uurimiseks ja reaalselt toimuva mõistmiseks."
Gravitatsioonilained on äikest. Plahvatuste vaatlemine teleskoobi kaudu - välk.
Just kuu aega tagasi said LIGO kolm asutajat oma teedrajava töö eest Nobeli füüsikapreemia. Nagu täheldas Ed Young Atlandi ookeanist, loob autasustamine kolmele sajast, kes on LIGO projekti olulist panust andnud, ebamugava ja vaieldava olukorra. Viimased tulemused näitavad siiski, et teadusliku töö preemia oli igati ära teenitud.
Parim asi gravitatsioonilainete vaatlemisel on see, et protsess on passiivne. LIGO ja VIRGO "kuulevad" kõiki samal päeval Maast mööduvaid gravitatsioonilaineid. Iga signaal tähistab uue "aarde" otsingu algust, sest teadlased peavad mõistma, mis ruumiaja kõikumisi põhjustas.
Astronoomid loodavad näha rohkem nii mustade aukude kui ka neutrontähtede ühinemisi. Kuid võib avastada veelgi huvitavamaid nähtusi. Kui LIGO ja VIRGO vaatluskeskused jätkavad parendustööd, on võimalus, et on võimalik tuvastada Suurest Paugust järelejäänud gravitatsioonilisi laineid. Või mis veelgi põnevam - need observatooriumid suudavad tuvastada varem tundmatuid gravitatsioonilainete allikaid, mida ei osatud ette näha.
"Olin kurb, et sündisin pärast esimest mehitatud maandumist Kuule," ütles Louis Cornati füüsik ja LIGO kogukonna liige Thomas Corbitt. - Kuid kui te saate tunnistajaks sellistele sündmustele, mis on tõendiks ühistegevuse suure õnnestumise kohta, ilmub inspiratsioon. Nad annavad meile rohkem teadmisi universumi kohta."
Algne ingliskeelne artikkel on saadaval siin.
