Opazovalnica LIGO, katere ustvarjalci so prejeli Nobelovo nagrado za leto 2017, je že spremenila svet astronomije. Ko so znanstveniki iz mednarodne znanstvene skupnosti LIGO leta 2016 odkrili prve gravitacijske valove, so odkrili nov način opazovanja vesolja. Prvič so znanstveniki lahko "poslušali" nihanja v vesolju in času, ki so nastala zaradi trka velikih predmetov (na primer črne luknje).
Toda to je bil šele začetek. Cilj je bil združiti opazovanje gravitacijskih valov s podatki iz običajnejših teleskopov.
Oktobra 2017 je v reviji Physical Review Letters skupina znanstvenikov LIGO, ki vključuje več tisoč ljudi po vsem svetu, objavila serijo prispevkov o neverjetnem odkritju. Raziskovalci niso bili sposobni zaznati gravitacijskih valov ob trku dveh nevtronskih zvezd, temveč tudi določiti njihove koordinate na nebu ter opazovati pojav s pomočjo optičnih in elektromagnetnih teleskopov.
"To je ena najcelovitejših zgodb o astrofizičnem pojavu, ki si ga je mogoče predstavljati," pravi fizik Peter Solson z univerze v Sirakuzi in član skupnosti LIGO.
Vsak vir pove svoj del zgodbe
Gravitacijski valovi povedo fizikom velikost in razdaljo predmetov, kar jim omogoča, da ponovno ustvarijo trenutek, preden trčijo. Opazovanja vidnega sevanja in elektromagnetnih valov nato zapolnijo vrzeli, ki jih gravitacijski valovi ne morejo razložiti. Astronomi pomagajo ugotoviti, iz katerih predmetov so bili narejeni in iz katerih trka so nastali kemični elementi. V našem primeru so znanstveniki lahko sklepali, da je eksplozija med združevanjem nevtronskih zvezd privedla do pojava težkih elementov - zlata, platine in urana (kar je bilo prej le domnevno, vendar ga z neposrednim opazovanjem ni bilo mogoče potrditi).
Zdaj je znanstvenikom uspelo na lastne oči videti alkimijo vesolja v akciji. "Mislim, da bo vpliv tega odkritja na znanost pomembnejši od prvega odkrivanja črnih lukenj s pomočjo gravitacijskih valov," je dejal Duncan Brown, še en znanstvenik iz skupnosti LIGO in univerze Syracuse. "Tu je vključenih veliko vidikov fizike in astronomije." In vse to je rezultat iskanja zakladov med zvezdami, v katerega je vpleten ves svet.
Promocijski video:
Dirka proti času. Kraj označen s križem
17. avgusta ob 8:41 je LIGO zaznal gravitacijske valove - ukrivljenost časa in prostora -, ki so prehajali skozi Zemljo. LIGO sta dve opazovalnici v obliki črke L. v ameriških zveznih državah Louisiana in Washington, ki lahko registrirajo valove, ki stisnejo in raztegnejo vesolje-čas kontinuum.
V zadnjih dveh letih je LIGO lahko zaznal gravitacijske valove, ki nastanejo ob trčenju črnih lukenj. A signal 17. avgusta je bil čisto drugačen. Izkazalo se je, da je veliko močnejše od tistega, kar je bilo zabeleženo ob odkritju črne luknje. Novi signal je trajal 100 sekund, signala iz črnih lukenj pa le nekaj. To je pomenilo, da se je trčenje zgodilo veliko bližje Zemlji.
Ko LIGO zazna gravitacijske valove, samodejno pošlje obvestila več sto znanstvenikom po vsem svetu. Duncan Brown je eden izmed njih. Zelo hitro smo dobili telefonsko opozorilo in ugotovili, da gre za nepričakovano močan signal gravitacijskih valov. Šokiralo nas je, «se spominja.
Takoj je postalo jasno, da ne gre za združitev črnih lukenj. Začetna analiza je pokazala, da valovi izvirajo iz trka dveh nevtronskih zvezd - predmetov z zelo visoko gostoto. Menijo, da se v njih oblikujejo težki kemični elementi.
Ko LIGO zazna gravitacijske valove zaradi trčenja črnih lukenj, se na nebu ne vidi nič: črne luknje, kot pove že njihovo ime, so temne. Kaj pa trk dveh nevtronskih zvezd? Spektakel naj bo kot barvit ognjemet.
Sarah Wilkinson / Observatorij Las Campanas
In tako se je zgodilo: dve sekundi po signalu LIGO je NASA-in vesoljski teleskop Fermi zaznal razpok gama žarkov - enega najmočnejših sunkov eksplozivne energije v vesolju, ki nam je znano. Že dolgo časa so astronomi gradili teorije, da združitev nevtronskih zvezd lahko povzroči porušitve gama žarkov. In zdaj to ne bi moglo biti naključje.
Hkrati se svetloba iz takšne eksplozivne fuzije hitro zatemni. Štetje je trajalo nekaj minut, znanstveniki mednarodne znanstvene skupnosti LIGO pa so bili prisiljeni pohiteti. "Hitreje ko prideš do teleskopa, več informacij dobiš," pravi Brown. Znanstveniki lahko s študijem svetlobe in njenim spreminjanjem pridobivajo številne informacije, ki jim bodo pomagale bolje razumeti nevtronske zvezde in kako združijo spremembo snovi.
Brown in njegovi sodelavci so se zaposlili in organizirali telekonference z desetinami znanstvenikov po vsem svetu. Skupina LIGO je sodelovala s partnerji iz VIRGO, italijanskega observatorija za gravitacijske valove, da je s podvojenimi napori preslikala nebo in poiskala izvor gravitacijskih valov. Svoje iskanje so zožili na območje, veliko v pest. (Z astronomskega vidika je celo to območje ogromen prostor. Obliž zemljevida z vžigalno glavo lahko vsebuje na tisoče galaksij.) Detektor VIRGO v Italiji ni uspel poiskati signala, ki je pomagal določiti položaj zvezd. VIRGO ima območja, ki jih ne sprejemajo, zato bi morale biti nevtronske zvezde v bližini ene od njih.
Ta nebesni zemljevid je rezultat združevanja informacij iz Fermija, LIGO, VIRGO in Integrala (še enega opazovalnika gama žarkov). Vsak detektor je zagotovil območje, v katerem se lahko pojavi signal. Kjer so se prekrivali, je bil na zemljevidu kozmičnih zakladov označen kraj s križem.
Zemljevid v roki je ekipa LIGO poslala e-poštna sporočila astronomom po vsem svetu, ki so lahko preiskovali to nebesno območje, ko je padla noč.
In sreča jih ni mimo! Več zemeljskih opazovalnic je uspelo zaznati položaj kilona (ali makrona) - eksplozije zaradi trka dveh nevtronskih zvezd. Fotografija na levi strani prikazuje, kaj so astronomi ujeli v uvodni noči. Na desni je videti, kako je izgledalo nekaj dni kasneje. Eksplozija se je opazno zatemnila.
1M2H / UC Santa Cruz in Carnegie Observatory / Ryan Foley
Tako je izgledala galaksija nekaj tednov pred nastankom kilonove (zgornja slika). Spodnja slika prikazuje eksplozijo.
Sodelovanje GW-EM s kamero za temno energijo in sodelovanje DES / Berger
Slike se morda zdijo nejasne, toda na njih je ogromno informacij. Z natančnimi koordinatami lahko znanstveniki prilagodijo vesoljski teleskop Hubble in vesoljski rentgenski observatorij Chandra, da eksplodira kilonovo. S pomočjo teh orodij si bodo astronomi lahko ogledali proces vesolja z enim očesom.
Kako trčenje nevtronskih zvezd ustvarja zlato
Nevtronske zvezde so nenavadna kozmična telesa. Nastanejo kot posledica gravitacijskega kolapsa zvezd (na primer med eksplozijami supernove) in imajo zelo visoko gostoto. Predstavljajte si predmet z maso, kot je Sonce, vendar le premera 25 kilometrov. To je 333.000 množic celotne Zemlje, stisnjenih v kroglico velikosti osrednjega okrožja Moskve. Tlak v notranjosti je tako velik, da tam lahko obstajajo le nevtroni (protoni, zliti z elektroni).
V galaksiji, ki je oddaljena 130 milijonov svetlobnih let, sta se dva takšna predmeta "plesala" okoli drugega, ki sta se gibala po orbiti in se vedno bolj in bolj približala. Trčila sta, sproščena energija skozi vesolje pa je poslala val, ki izkrivlja čas in prostor ter tok delcev (zajeten gama-žarki, zaznan skupaj z gravitacijskimi valovi). Tako gravitacijski valovi kot gama žarki so potovali s svetlobno hitrostjo. To je še en dokaz splošne teorije relativnosti Alberta Einsteina. Možno je, da so po združitvi nevtronske zvezde tvorile novo črno luknjo, saj so imele zadostno maso. Vendar pa še ni dovolj informacij za nedvoumno izjavo.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Toda eno je že mogoče zagotovo reči: po eksploziji se je veliko preostalih nevtronov združilo in tvorilo kemične elemente.
Vsi in vsi elementi na Zemlji so narejeni iz zvezd. Kot rezultat velikega poka v začetku časa so nastali zelo lahki elementi - vodik in helij. Ti elementi so združeni in tvorijo zvezde, znotraj katerih so se med fuzijskimi reakcijami pojavili elementi z večjimi in večjimi masami.
Ko so zvezde prešle v supernovo (propad in posledična eksplozija), so nastali še težji elementi. Vendar pa je po besedah Browna videz zlata in platine že dolgo skrivnost. Tudi eksplozije supernove niso dovolj močne, da bi jih ustvarile.
Obstajajo teorije, da je kilogramska zvezda (nastala z združitvijo dveh nevtronskih zvezd) sposobna proizvajati te kovine. In ker so astronomi lahko pravočasno določili kraj, kjer je prišlo do združitve, so to teorijo potrdili. Barva in kakovost svetlobe, ki je ostala po eksploziji, sta potrdila tvorbo zlata in platine. Zdelo se je, da so znanstveniki opazovali alkemijo v akciji.
"Zlato na Zemlji je bilo nekoč ustvarjeno po jedrski eksploziji iz združitve [nevtronskih zvezd]," razlaga Brown. - Zdaj imam platinasti poročni prstan na prstu. Samo pomislite, pojavilo se je zaradi trka nevtronskih zvezd!"
Prihaja novo obdobje v astronomiji
Opisano odkritje pomeni začetek nove dobe v astronomiji. Znanstveniki bodo lahko preučevali nebesna telesa ne le s pomočjo svetlobe in sevanja, ki jih oddajajo, temveč bodo ta opažanja kombinirali tudi z informacijami, pridobljenimi med analizo gravitacijskih valov. Te informacije vsebujejo, kako sta se dve nevtronski zvezdi gibali okoli trka ob trčenju, pa tudi ogromno informacij o njegovih posledicah.
Na desni - vizualizacija snovi nevtronskih zvezd. Na levi - izkrivljanje prostora in časa v bližini eksplozij. Karan Janey / Georgia Institute of Technology
Kombinacija vseh virov informacij se imenuje večkanalna astronomija, torej astronomija, ki temelji na seštevanju opazovanj elektromagnetnega spektra z gravitacijsko-valovnimi opazovanji. To so sanje znanstvenikov LIGO že od ustanovitve opazovalnice.
"Predstavljajte si, da živite v sobi brez oken in vse, kar lahko storite, je slišati grmenje, vendar ne videti strele," razlaga Vicki Kalogera, astrofizičarka na univerzi Northwestern in članica skupnosti LIGO. - Zdaj si predstavljajte, da ste se preselili v sobo z oknom. Odslej ne samo slišite grmenje, ampak tudi vidite strele. Strele nudijo povsem novo priložnost za preučevanje neviht in razumevanje, kaj se v resnici dogaja."
Gravitacijski valovi so gromovi. Opazovanje eksplozij s pomočjo teleskopa - strele.
Pred natanko mesecem dni so trije ustanovitelji LIGO za svoje pionirsko delo prejeli Nobelovo nagrado za fiziko. Kot je ugotovil Ed Young iz Atlantika, podelitev nagrade trem od stotine, ki so pomembno prispevale k projektu LIGO, povzroča nerodno in sporno situacijo. Vendar pa nedavni rezultati kažejo, da je bila nagrada za znanstveno delo zaslužena.
Najboljše pri opazovanju gravitacijskih valov je, da je postopek pasiven. LIGO in VIRGO bosta istega dne "slišala" morebitne gravitacijske valove, ki so mimo Zemlje. Vsak signal pomeni začetek novega iskanja "zakladov", ker morajo znanstveniki razumeti, kaj je ustvarilo nihanja v vesolju in času.
Astronomi upajo, da bodo videli več združitev tako črnih lukenj kot nevtronskih zvezd. Toda še bolj zanimive pojave je mogoče odkriti. Če se bosta opazovalnici LIGO in VIRGO še izboljšala, obstaja možnost, da bo mogoče zaznati gravitacijske valove, ki so ostali od velikega poka. Še bolj vznemirljivo pa bo, da bodo ti opazovalniki lahko zaznali vire gravitacijskih valov, ki so bili prej neznani in jih niso znali napovedati.
"Bil sem žalosten, da sem se rodil po pristanku na Luni," je dejal Thomas Corbitt, fizik in član skupnosti LIGO na Louisini State University. - Ko pa postaneš priča takšnih dogodkov, ki služijo kot dokaz velikega uspeha skupnih dejavnosti, se pojavi navdih. Dajo nam več znanja o Vesolju."
Izvirni članek v angleščini je na voljo tukaj.