Observatórium LIGO, ktorého tvorcovia získali Nobelovu cenu za rok 2017, už zmenilo svet astronómie. Keď vedci z medzinárodnej vedeckej komunity LIGO objavili prvé gravitačné vlny v roku 2016, objavili nový spôsob pozorovania vesmíru. Vedci boli po prvýkrát schopní „počúvať“výkyvy v čase, ku ktorým došlo v dôsledku kolízie veľkých objektov (napríklad čiernych dier).
Ale to bol len začiatok. Cieľom bolo skombinovať pozorovanie gravitačných vĺn s údajmi z konvenčných ďalekohľadov.
V októbri 2017 publikoval tím vedcov LIGO, ktorý zahŕňa niekoľko tisíc ľudí na celom svete, v sérii Physical Review Letters sériu článkov o neuveriteľnom objave. Vedci dokázali nielen odhaliť gravitačné vlny z kolízie dvoch neutrónových hviezd, ale tiež určiť ich súradnice na oblohe, ako aj pozorovať tento jav pomocou optických a elektromagnetických teleskopov.
„Toto je jeden z najúplnejších príbehov astrofyzikálneho fenoménu, aký si možno predstaviť,“hovorí fyzik Peter Solson zo Syracuse University a člen komunity LIGO.
Každý zdroj rozpráva svoju vlastnú časť príbehu
Gravitačné vlny informujú fyzikov o veľkosti a vzdialenosti predmetov, čo im umožňuje obnoviť sa skôr, ako sa zrazia. Pozorovania viditeľného žiarenia a elektromagnetických vĺn potom vyplnia medzery, ktoré gravitačné vlny nemôžu vysvetliť. Pomáhajú astronómom zistiť, z ktorých predmetov boli vyrobené a aké chemické prvky pochádzajú z kolízie. V našom prípade vedci dospeli k záveru, že explózia počas zlúčenia neutrónových hviezd viedla k vzniku ťažkých prvkov - zlata, platiny a uránu (čo sa predtým predpokladalo iba, ale nebolo možné ich potvrdiť priamym pozorovaním).
Teraz vedci dokázali na vlastné oči vidieť alchýmiu vesmíru v akcii. „Myslím si, že dopad tohto objavu na vedu bude výraznejší ako prvá detekcia čiernych dier gravitačnými vlnami,“povedal Duncan Brown, ďalší vedec z komunity LIGO a Syracuse University. „Je tu zapojených veľa aspektov fyziky a astronómie.“A to všetko je výsledkom hľadania pokladu medzi hviezdami, do ktorého je zapojený celý svet.
Propagačné video:
Závod s časom. Miesto označené krížikom
17. augusta o 8:41 hod. LIGO zistil gravitačné vlny - zakrivenie času a priestoru - prechádzajúce Zemou. LIGO sú dve observatóriá v tvare L. v amerických štátoch Louisiana a Washington, ktoré môžu registrovať vlny, ktoré komprimujú a predlžujú vesmírno-časové kontinuum.
Za posledné dva roky LIGO dokázalo zistiť gravitačné vlny generované zrážkou čiernych dier. Ale signál zo 17. augusta bol celkom iný. Ukázalo sa, že je omnoho silnejšia ako to, čo bolo zaznamenané pri objavení čiernej diery. Nový signál trval 100 sekúnd, zatiaľ čo signály z čiernych dier len pár. To znamenalo, že k zrážke došlo oveľa bližšie k Zemi.
Keď LIGO zistí gravitačné vlny, automaticky odošle oznámenia stovkám vedcov z celého sveta. Duncan Brown je jedným z nich. „Dostali sme veľmi rýchlo telefónne upozornenie a uvedomili sme si, že to bol neočakávane silný signál gravitačných vĺn. Šokovalo nás to, “spomína.
Okamžite sa ukázalo, že nejde o zlúčenie čiernych dier. Počiatočná analýza ukázala, že vlny vznikli zrážkou dvoch neutrónových hviezd - objektov s veľmi vysokou hustotou. Predpokladá sa, že vo vnútri sa tvoria ťažké chemické prvky.
Keď LIGO zistí gravitačné vlny z zrážajúcich sa čiernych dier, na oblohe nie je vidieť nič: čierne diery, ako naznačuje ich názov, sú tmavé. A čo zrážka dvoch neutrónových hviezd? Pozadie by malo byť ako farebný ohňostroj.
Observatórium Sarah Wilkinson / Las Campanas
Stalo sa tak: dve sekundy po signáli LIGO vesmírny teleskop NASA vo Fermi zistil výbuch gama lúčov - jeden z najsilnejších výbuchov výbušnej energie vo vesmíre, ktorý je nám známy. Astronómovia dlhodobo budujú teórie, že zlúčenie neutrónových hviezd môže spôsobiť výbuchy gama žiarenia. A teraz to nemôže byť náhoda.
Zároveň sa svetlo z takejto explozívnej fúzie rýchlo stlmí. Sčítanie trvalo niekoľko minút a vedci z medzinárodnej vedeckej komunity LIGO boli nútení ponáhľať sa. „Čím rýchlejšie sa dostanete k ďalekohľadu, tým viac informácií získate,“hovorí Brown. Zo skúmania svetla a jeho zmien môžu vedci získať množstvo informácií, ktoré im pomôžu lepšie porozumieť neutrónovým hviezdam a ako zlúčia zmeny.
Brown a jeho kolegovia začali pracovať, organizovali telekonferencie s desiatkami vedcov z celého sveta. Tím LIGO spolupracoval s partnermi z talianskeho observatória gravitačných vĺn VIRGO na práci s dvojnásobným úsilím pri mapovaní oblohy a lokalizovaní zdroja gravitačných vĺn. Zúžili pátranie po dlani do oblasti pästi. (Z astronomického hľadiska je dokonca aj táto oblasť obrovským priestorom. Oblasť mapy s hlavicou v dĺžke ramena môže obsahovať tisíce galaxií.) Detektor VIRGO v Taliansku signál nezískal, čo pomohlo určiť polohu hviezd. VIRGO nemá zóny príjmu, preto by neutrónové hviezdy mali byť umiestnené blízko jednej z nich.
Táto mapa oblohy je výsledkom kombinácie informácií od spoločností Fermi, LIGO, VIRGO a Integral (ďalšie observatórium gama lúčov). Každý detektor poskytol oblasť, v ktorej by sa mohol vyskytnúť signál. Tam, kde sa prekrývali, bolo vyznačené miesto označené krížikom na mape kozmických pokladov.
Mapa v ruke poslal tím LIGO e-mailové správy astronómom z celého sveta, ktorí mohli v noci, keď padla noc, preskúmať túto oblohu.
A šťastie ich neprešlo! Niekoľko pozemných observatórií dokázalo zistiť polohu kilon (alebo makron) - explóziu spôsobenú zrážkou dvoch neutrónových hviezd. Fotografia vľavo ukazuje, čo astronómovia zachytili počas premiéry. Vpravo je to, ako to vyzeralo o niekoľko dní neskôr. Výbuch viditeľne stlmil.
1M2H / UC, observatórium v Santa Cruz a Carnegie / Ryan Foley
Takto vyzerala galaxia pár týždňov pred vytvorením kilonova (horný obrázok). Spodný obrázok ukazuje explóziu.
Spolupráca kamery GW-EM s temnou energiou a spolupráca DES / Berger
Obrázky sa môžu zdať nejasné, je tu však veľa informácií. Vedci môžu s presnými súradnicami vyladiť Hubbleov vesmírny ďalekohľad a rentgenové observatórium Chandra tak, aby vybuchlo kilonovu. S pomocou týchto nástrojov sa budú môcť astronómovia pozerať na proces vesmíru jedným okom.
Ako kolízne neutrónové hviezdy vytvárajú zlato
Neutrónové hviezdy sú neobvyklé kozmické telá. Vznikajú v dôsledku gravitačného zrútenia hviezd (napríklad pri výbuchoch supernovy) a majú veľmi vysokú hustotu. Predstavte si objekt s hmotou ako Slnko, ale s priemerom iba 25 kilometrov. Toto je 333 000 mas celej Zeme, zlisovaných do gule o veľkosti centrálneho obvodu Moskvy. Tlak vo vnútri je taký obrovský, že tam môžu existovať iba neutróny (protóny fúzované s elektrónmi).
V galaxii vzdialenej 130 miliónov svetelných rokov dva takéto objekty „tancovali“okolo seba, pohybovali sa na obežnej dráhe a priblížili sa. Zrážali sa a uvoľnená energia cez Vesmír poslala vlnu, ktorá skresľuje čas a priestor, a prúd častíc (gama žiarenie detekované spolu s gravitačnými vlnami). Gravitačné vlny a gama lúče sa pohybovali rýchlosťou svetla. Toto je ďalší dôkaz všeobecnej teórie relativity Alberta Einsteina. Je možné, že po zlúčení neutrónové hviezdy vytvorili novú čiernu dieru, pretože mali dostatočnú hmotnosť. Zatiaľ však nie je dostatok informácií na jednoznačné vyjadrenie.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Jedna vec sa však dá povedať už určite: po výbuchu sa mnoho zvyšných neutrónov spojilo a vytvorilo chemické prvky.
Každý z nás a každý prvok na Zemi je vyrobený z hviezd. V dôsledku veľkého tresku na začiatku času sa vytvorili veľmi ľahké prvky - vodík a hélium. Tieto prvky sa spojili a vytvorili hviezdy, vo vnútri ktorých sa počas fúznych reakcií objavili prvky s väčšími a väčšími hmotami.
Keď hviezdy prešli supernovou (kolaps a následný výbuch), vytvorili sa ešte ťažšie prvky. Podľa Browna je však výskyt zlata a platiny už dlho záhadou. Dokonca ani výbuchy supernovy nie sú natoľko silné, aby ich vytvorili.
Existujú teórie o tom, že hviezda v km (vytvorená zlúčením dvoch neutrónových hviezd) je schopná tieto kovy vyrábať. A keďže astronómovia boli schopní včas určiť miesto, kde došlo k zlúčeniu, potvrdili túto teóriu. Farba a kvalita svetla, ktoré zostalo po výbuchu, potvrdila tvorbu zlata a platiny. Vedci akoby sledovali alchýmiu v akcii.
„Zlato na Zemi bolo kedysi vytvorené po jadrovom výbuchu zlúčením [neutrónových hviezd]“, vysvetľuje Brown. - Teraz mám na prste platinový snubný prsteň. Len si myslím, že sa to objavilo kvôli kolízii neutrónových hviezd! “
Prichádza nová éra astronómie
Opísaný objav znamená začiatok novej éry astronómie. Vedci budú môcť študovať nebeské telá nielen pomocou svetla a žiarenia, ktoré emitujú, ale tieto pozorovania môžu kombinovať aj s informáciami získanými pri analýze gravitačných vĺn. Táto informácia obsahuje informácie o tom, ako sa obe neutrónové hviezdy pohybovali okolo seba, keď došlo ku kolízii, ako aj obrovské množstvo informácií o jej dôsledkoch.
Vpravo - vizualizácia látky neutrónových hviezd. Vľavo - skreslenie časopriestoru pri výbuchoch. Technologický inštitút Karan Janey / Gruzínsko
Kombinácia všetkých zdrojov informácií sa nazýva multikanálová astronómia, to znamená astronómia založená na pridaní pozorovaní elektromagnetického spektra s pozorovaniami gravitačných vĺn. Od založenia observatória to bol sen vedcov LIGO.
"Predstavte si, že žijete v miestnosti bez okna, a všetko, čo môžete urobiť, je počuť hrom, ale nevidieť blesky," vysvetľuje Vicki Kalogera, astrofyzik na Severozápadnej univerzite a člen komunity LIGO. - Teraz si predstavte, že vás presťahovali do miestnosti s oknom. Od tejto chvíle nebudete počuť iba hrom, ale aj blesky. Blesk poskytuje úplne novú príležitosť na štúdium búrok a pochopenie toho, čo sa skutočne deje. ““
Gravitačné vlny sú hromy. Pozorovanie výbuchov cez ďalekohľad - blesk.
Len pred mesiacom dostali traja zakladatelia LIGO Nobelovej ceny za fyziku za svoju priekopnícku prácu. Ako poznamenal Ed Young of the Atlantic, udelenie ceny trom zo stoviek, ktorí významne prispeli k projektu LIGO, vytvára nepríjemnú a kontroverznú situáciu. Posledné výsledky však ukazujú, že cena za vedeckú prácu bola zaslúžená.
Najlepšie na pozorovaní gravitačných vĺn je to, že proces je pasívny. LIGO a VIRGO „počujú“gravitačné vlny prechádzajúce Zemou v ten istý deň. Každý signál znamená začiatok nového hľadania „pokladov“, pretože vedci musia pochopiť, čo spôsobilo kolísanie času a času.
Astronómovia dúfajú, že uvidia viac fúzií čiernych dier a neutrónových hviezd. Možno však objaviť ešte zaujímavejšie javy. Ak sa observatóriá LIGO a VIRGO budú naďalej zlepšovať, bude možné zistiť gravitačné vlny, ktoré zostali po Veľkom tresku. Alebo čo je vzrušujúcejšie, tieto observatóriá budú schopné zistiť zdroje gravitačných vĺn, ktoré boli predtým neznáme a nemohli predpovedať.
"Bol som smutný, že som sa narodil po prvom pristátí s posádkou na Mesiaci," povedal Thomas Corbitt, fyzik a člen komunity LIGO na Louisinskej štátnej univerzite. - Ale keď sa stanete svedkom takýchto udalostí, ktoré slúžia ako dôkaz veľkého úspechu spoločných aktivít, objaví sa inšpirácia. Dávajú nám viac vedomostí o vesmíre. ““
Pôvodný článok v angličtine je k dispozícii tu.