LIGO-observatorio, jonka luojat saivat vuoden 2017 Nobel-palkinnon, on jo muuttanut tähtitieteen maailmaa. Kun kansainvälisen tiedeyhteisön LIGO tutkijat löysivät ensimmäiset painovoima-aallot vuonna 2016, he löysivät uuden tavan seurata maailmankaikkeutta. Ensimmäistä kertaa tutkijat pystyivät "kuuntelemaan" avaruuden ajanvaihtelut, jotka johtuvat suurten esineiden (esimerkiksi mustien reikien) törmäyksestä.
Mutta se oli vasta alku. Tavoitteena oli yhdistää painovoima-aaltojen havainnot tavanomaisempien kaukoputkien tietoihin.
Lokakuussa 2017 Physical Review Letters -sivustolla LIGO-tutkijaryhmä, johon kuuluu useita tuhansia ihmisiä ympäri maailmaa, julkaisi sarjan kirjoituksia uskomattomasta löytöstä. Tutkijat pystyivät paitsi havaitsemaan gravitaatioaallot kahden neutronitähden törmäyksestä, myös määrittämään niiden koordinaatit taivaalla sekä seuraamaan ilmiötä optisten ja sähkömagneettisten kaukoputkien avulla.
"Tämä on yksi täydellisimmistä tarinoista astrofysikaalisesta ilmiöstä, jota kuvitellaan", sanoo Syracuse Universityn fyysikko Peter Solson ja LIGO-yhteisön jäsen.
Jokainen lähde kertoo oman osan tarinasta
Painovoima-aallot kertovat fyysikoille esineiden koon ja etäisyyden, mikä antaa heille mahdollisuuden luoda uudelleen hetki ennen törmäämistä. Näkyvän säteilyn ja sähkömagneettisten aaltojen havainnot täyttävät sitten aukot, joita painovoima-aallot eivät pysty selittämään. Ne auttavat tähtitieteilijöitä selvittämään, mistä esineistä tehtiin ja mitä kemiallisia elementtejä törmäyksestä tuli. Meidän tapauksessamme tutkijat päättivät päätellä, että räjähdys neutronitähtien yhdistymisen aikana johti raskaiden elementtien - kullan, platinan ja uraanin - esiintymiseen (mitä aiemmin vain oletettiin, mutta jota ei voitu vahvistaa suoralla havainnoinnilla).
Nyt tutkijat ovat onnistuneet näkemään omilla silmillään maailmankaikkeuden alkemian toiminnassa. "Uskon, että tämän löytön vaikutus tieteeseen on huomattavampi kuin mustien reikien havaitseminen ensin painovoima-aaltojen avulla", sanoi toinen LIGO-yhteisön ja Syracuse-yliopiston tutkija Duncan Brown. "Monet fysiikan ja tähtitieteen näkökohdat ovat mukana tässä." Ja kaikki tämä on seurausta aarremetsästyksestä tähdet keskuudessa, johon koko maailma on osallisena.
Mainosvideo:
Kilpaile aikaa vastaan. Paikka, joka on merkitty ristillä
LIGO havaitsi 17. elokuuta kello 8.41 maan päällä kulkevat gravitaatioaallot - ajan ja tilan kaarevuudet. LIGO on kaksi L-muotoista observatorioa Yhdysvalloissa Louisiana ja Washington. Ne voivat rekisteröidä aaltoja, jotka puristavat ja venyttävät avaruus-ajan jatkuvuutta.
Kahden viime vuoden aikana LIGO on pystynyt havaitsemaan painovoima-aallot, jotka ovat aiheutuneet törmättäessä mustia reikiä. Mutta signaali 17. elokuuta oli aivan erilainen. Se osoittautui paljon vahvemmaksi kuin mitä nauhoitettiin, kun musta aukko löydettiin. Uusi signaali kesti 100 sekuntia, kun taas mustien reikien signaalit vain harvat. Tämä tarkoitti, että törmäys tapahtui paljon lähempänä maata.
Kun LIGO havaitsee painovoima-aallot, se lähettää ilmoitukset automaattisesti satoille tutkijoille ympäri maailmaa. Duncan Brown on yksi heistä.”Saimme puhelinhälytyksen nopeasti ja huomasimme, että tämä oli odottamattoman voimakas signaali painovoima-aalloista. Se järkytti meitä”, hän muistelee.
Heti kävi selväksi, että kyse ei ollut mustien reikien sulautumisesta. Alkuanalyysi osoitti, että aallot syntyivät kahden neutronitähden - esineiden, joilla on erittäin suuri tiheys, törmäyksestä. Uskotaan, että niiden sisälle muodostuu raskaita kemiallisia alkuaineita.
Kun LIGO havaitsee painovoima-aallot törmäävistä mustista reikistä, taivaalla ei voi nähdä mitään: mustat aukot, kuten nimensä viittaavat, ovat tummia. Entä kahden neutronitähden törmäys? Silmälasin tulisi olla kuin värikäs ilotulitus.
Sarah Wilkinson / Las Campanasin observatorio
Ja niin se tapahtui: kaksi sekuntia LIGO-signaalin jälkeen NASAn Fermi-avaruusteskooppi havaitsi gammasäteen purskeen - yhden meille tunnetun universumin voimakkaimmista räjähtävän energian purskeista. Tähtitieteilijät ovat jo pitkään rakentaneet teorioita siitä, että neutronitähtien sulautuminen voi aiheuttaa gammasäteilypurskeita. Ja nyt se ei voinut olla sattumaa.
Samanaikaisesti tällaisen räjähtävän fuusion valo häviää nopeasti. Lukemista jatkettiin minuutteja, ja kansainvälisen tiedeyhteisön LIGO tutkijat pakotettiin kiirehtimään. "Mitä nopeammin pääset kaukoputkeen, sitä enemmän tietoa saat", Brown sanoo. Tutkimalla valoa ja miten se muuttuu, tutkijat voivat kerätä runsaasti tietoa, joka auttaa heitä ymmärtämään paremmin neutronitähtiä ja miten ne yhdistävät muutosaseman.
Brown ja hänen kollegansa pääsivät töihin järjestämällä puhelinneuvotteluja kymmenien tutkijoiden kanssa ympäri maailmaa. LIGO-tiimi työskenteli yhteistyökumppaneiden kanssa VIRGOsta (italialainen gravitaatioaaltojen observatorio) työskennelläkseen kaksinkertaisesti yrittäen taivaan kartoittamiseen ja painovoima-aaltojen lähteen löytämiseen. He kavensivat hakuaan nyrkkikokoiselle alueelle käsivarsin. (Tähtitieteellisestä näkökulmasta katsottuna, jopa tämä alue on valtava tila. Karttapiste, jonka tulitikku on käsivarren päässä, voi sisältää tuhansia galakseja.) VIRGO-ilmaisin Italiassa ei kyennyt ottamaan signaalia, mikä auttoi määrittämään tähtiä. VIRGOssa ei ole vastaanottovyöhykkeitä, joten neutronitähtien olisi pitänyt sijaita lähellä yhtä niistä.
Tämä taivaskartta on tulos yhdistämällä Fermi, LIGO, VIRGO ja Integral (toinen gammasäteilyn observatorio). Jokainen ilmaisin tarjosi alueen, jolla signaali voi tapahtua. Siellä missä ne olivat päällekkäin, osoitettiin ristillä merkitty paikka kosmisten aarteiden kartalla.
Kartta kädessä, LIGO-tiimi lähetti sähköpostit tähtitieteilijöille ympäri maailmaa, jotka voisivat tutkia tätä taivaan aluetta yön myötä.
Ja onnea ei ohittanut heitä! Useat maanpäälliset observatoriat pystyivät havaitsemaan kilon (tai makronin) sijainnin - räjähdyksen kahden neutronitähden törmäyksestä. Vasemmalla olevassa valokuvassa näkyy, mitä tähtitieteilijät vangitsivat avausillan. Oikealla se kuinka se näytti muutamaa päivää myöhemmin. Räjähdys himmeni huomattavasti.
1M2H / UC Santa Cruz ja Carnegie Observatory / Ryan Foley
Näin galaksi näytti muutama viikko ennen kilonovan muodostumista (yläkuva). Pohjakuva näyttää räjähdyksen.
Dark Energy Camera GW-EM -yhteistyö ja DES / Berger -yhteistyö
Kuvat saattavat tuntua epäselvältä, mutta niistä on paljon tietoa. Tarkoilla koordinaateilla tutkijat voivat virittää Hubble-avaruusteleskoopin ja Chandra-avaruusröntgen-observatorion räjähtääkseen kilonovan. Näiden työkalujen avulla tähtitieteilijät voivat tarkastella maailmankaikkeuden prosessia yhdellä silmällä.
Kuinka törmäävät neutronitähdet luovat kultaa
Neutronitähdet ovat epätavallisia kosmisia kappaleita. Ne muodostuvat tähtien painovoiman romahtamisen seurauksena (esimerkiksi supernovan räjähdysten aikana) ja niiden tiheys on erittäin korkea. Kuvittele esine, jonka massa on kuin aurinko, mutta halkaisija on vain 25 km. Tämä on 333 000 massaa koko maapallosta, puristettu palloksi, joka on kooltaan Moskovan keskusalueen kokoinen. Paine sisällä on niin suuri, että siellä voi olla vain neutroneja (elektronien kanssa sulautettuja protoneja).
130 miljoonan valovuoden päässä olevassa galaksissa kaksi tällaista esinettä "tanssivat" toistensa ympäri liikkuen kiertoradalla ja saaden lähemmäksi. Ne törmäsivät, ja vapautunut energia maailmankaikkeuden kautta lähetti aallon, joka vääristää aikaa ja tilaa, ja hiukkasvirran (gammasäteen purske havaittiin yhdessä gravitaatioaaltojen kanssa). Sekä gravitaatioaallot että gammasäteet kulkivat valon nopeudella. Tämä on jälleen yksi todiste Albert Einsteinin suhteellisuusteoriasta. On mahdollista, että sulautumisen jälkeen neutronitähdet muodostivat uuden mustan aukon, koska niiden massa oli riittävä. Ei kuitenkaan ole vielä tarpeeksi tietoa yksiselitteiseen lausuntoon.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Mutta yhden asian voidaan jo sanoa varmasti: räjähdyksen jälkeen monet jäljellä olevista neutroneista yhdistyivät ja muodostivat kemiallisia elementtejä.
Me kaikki ja kaikki maapallon elementit ovat tähtiä. Ajan alussa tapahtuneen ison räjähdyksen seurauksena muodostui erittäin kevyitä elementtejä - vetyä ja heliumia. Nämä elementit yhdistyivät tähteiksi, joiden sisälle fuusioreaktioiden aikana ilmestyi elementtejä, joilla oli suurempia ja suurempia massoja.
Kun tähdet menivät supernovaan (romahdus ja sitä seuraava räjähdys), raskaampia elementtejä syntyi. Brownin mukaan kullan ja platinan ulkonäkö on kuitenkin jo kauan ollut mysteeri. Jopa supernoova-räjähdykset eivät ole riittävän tehokkaita niiden luomiseksi.
On ollut teorioita, että kilotähti (joka muodostuu kahden neutronitähden sulautumisen myötä) pystyy tuottamaan näitä metalleja. Ja koska tähtitieteilijät pystyivät ajoissa selvittämään fuusion tapahtumapaikan, he vahvistivat tämän teorian. Räjähdyksen jälkeen jäljelle jääneen valon väri ja laatu vahvistivat kullan ja platinan muodostumisen. Tutkijat näyttivät seuranneen alkemiaa toiminnassa.
"Kulta maan päällä luotiin kerran ydinräjähdyksen jälkeen [neutronitähteiden] sulautumisesta", Brown selittää. - Nyt sormellani on platinavihreä rengas. Ajattele vain, se ilmehti neutronitähtien törmäyksen takia!"
Tähtitieteen uusi aikakausi on tulossa
Kuvattu löytö merkitsee uuden aikakauden alkua tähtitiedessä. Tutkijat pystyvät tutkimaan taivaankappaleita paitsi niiden lähettämän valon ja säteilyn avulla, myös yhdistämään nämä havainnot tietoihin, jotka on saatu gravitaatioaaltojen analysoinnin aikana. Tämä tieto sisältää kuinka kaksi neutronitähtää liikkuivat toistensa ympäri törmäyksen tapahtuessa, sekä suuren määrän tietoa sen seurauksista.
Oikealla - neutronitähtien aineen visualisointi. Vasemmalla - avaruus-ajan vääristyminen lähellä räjähdyksiä. Karan Janey / Georgian teknillinen instituutti
Kaikkien tietolähteiden yhdistelmää kutsutaan monikanavaiseksi astronomiaksi, toisin sanoen astronomiaksi, joka perustuu sähkömagneettisen spektrin havaintojen lisäämiseen gravitaatioaallon havainnoinneilla. Tämä on ollut LIGO-tutkijoiden unelma observatorion perustamisesta lähtien.
”Kuvittele asumista ikkunattomassa huoneessa, ja kaikki mitä voi tehdä, on kuulla ukkosta, mutta ei nähdä salamaa”, kertoo Vicki Kalogera, Northwestern Universityn astrofysiikka ja LIGO-yhteisön jäsen. - Kuvittele nyt, että sinut on siirretty huoneeseen, jossa on ikkuna. Tästä eteenpäin et vain kuule ukkosta, vaan näkee myös salaman. Salama tarjoaa aivan uuden mahdollisuuden tutkia ukkosta ja ymmärtää mitä todella tapahtuu."
Painovoima-aallot ovat ukkonen. Räjähdysten havaitseminen kaukoputken läpi - salama.
Vain kuukausi sitten LIGOn kolme perustajaa saivat Nobelin fysiikan palkinnon uraauurtavasta työstään. Kuten Ed Young Atlantilta huomautti, palkinnon myöntäminen kolmelle sadasta, jotka ovat osallistuneet merkittävästi LIGO-projektiin, luo hankalan ja kiistanalaisen tilanteen. Viimeaikaiset tulokset kuitenkin osoittavat, että tieteellisen työn palkinto oli ansaittu.
Parasta gravitaatioaaltojen havainnoinnissa on, että prosessi on passiivinen. LIGO ja VIRGO "kuulevat" kaikki maapallon ohitsevat painovoima-aallot samana päivänä. Jokainen signaali merkitsee uuden "aarteiden" etsimisen alkua, koska tutkijoiden on ymmärrettävä, mikä aiheutti avaruus-ajan vaihtelut.
Tähtitieteilijät toivovat näkevänsä enemmän mustien reikien ja neutronitähteiden sulautumisia. Mutta vielä mielenkiintoisempia ilmiöitä voidaan löytää. Jos LIGO- ja VIRGO-observatorioiden kehitys jatkuu, on mahdollista, että on mahdollista havaita Suuresta räjähdyksestä jäljelle jäävät painovoima-aallot. Tai vielä kiinnostavammalla, että nämä observatoriat pystyvät havaitsemaan aikaisemmin tuntemattomia gravitaatioaaltojen lähteitä, joita ei voitu ennustaa.
"Olin surullinen siitä, että olen syntynyt ensimmäisen miehitetyn laskeutumisen jälkeen kuuhun", kertoi finaali Thomas Corbitt, joka oli Louisina State Universityn LIGO-yhteisön jäsen. - Mutta kun sinusta tulee tällaisten tapahtumien todistaja, jotka toimivat todisteena yhteisen toiminnan suuresta menestyksestä, inspiraatio ilmestyy. He antavat meille enemmän tietoa maailmankaikkeudesta."
Alkuperäinen englanninkielinen artikkeli on saatavana täältä.