Opservatorija LIGO, čiji su tvorci dobili Nobelovu nagradu za 2017., već je promijenila svijet astronomije. Kada su znanstvenici iz međunarodne znanstvene zajednice LIGO otkrili prve gravitacijske valove 2016. godine, otkrili su novi način promatranja svemira. Znanstvenici su prvi put mogli „osluškivati“fluktuacije u prostor-vremenu koje nastaju prilikom sudara velikih predmeta (na primjer, crne rupe).
Ali to je bio tek početak. Cilj je bio kombinirati promatranje gravitacijskih valova s podacima konvencionalnijih teleskopa.
U listopadu 2017. u časopisu Physical Review Letters, tim znanstvenika LIGO, koji obuhvaća nekoliko tisuća ljudi širom svijeta, objavio je niz radova o nevjerojatnom otkriću. Istraživači su bili u stanju ne samo otkriti gravitacijske valove od sudara dviju neutronskih zvijezda, već i odrediti njihove koordinate na nebu, kao i promatrati pojavu putem optičkih i elektromagnetskih teleskopa.
"Ovo je jedna od najpotpunijih priča o astrofizičkom fenomenu koji se može zamisliti", kaže fizičar Peter Solson sa Sveučilišta Syracuse i član LIGO zajednice.
Svaki izvor govori svoj dio priče
Gravitacijski valovi fizičarima govore veličinu i udaljenost predmeta, što im omogućava da ponovno stvore trenutak prije sudara. Promatranja vidljivog zračenja i elektromagnetskih valova tada popunjavaju praznine koje gravitacijski valovi ne mogu objasniti. Oni pomažu astronomima da otkriju od čega su napravljeni predmeti i od kojih kemijskih elemenata dolazi do sudara. U našem slučaju, znanstvenici su mogli zaključiti da je eksplozija tijekom spajanja neutronskih zvijezda dovela do pojave teških elemenata - zlata, platine i urana (što se prethodno samo pretpostavljalo, ali nije se moglo potvrditi izravnim promatranjem).
Sada su znanstvenici uspjeli vlastitim očima vidjeti alkemiju svemira u djelovanju. "Mislim da će utjecaj ovog otkrića na znanost biti značajniji od prvog otkrivanja crnih rupa gravitacijskim valovima", rekao je Duncan Brown, drugi znanstvenik iz zajednice LIGO i sveučilišta Syracuse. "Ovdje su uključeni mnogi aspekti fizike i astronomije." A sve je to rezultat potrage za blagom među zvijezdama, u koji je uključen cijeli svijet.
Promotivni video:
Utrka protiv vremena. Mjesto označeno križem
17. kolovoza u 8:41 sati LIGO je otkrio gravitacijske valove - zakrivljenost vremena i prostora - koji prolaze kroz Zemlju. LIGO su dva promatračnica u obliku slova L. u američkim državama Louisiana i Washington. Oni mogu registrirati valove koji sažimaju i protežu prostorno-vremenski kontinuum.
U protekle dvije godine LIGO je uspio otkriti gravitacijske valove nastale sudaranjem crnih rupa. Ali signal 17. kolovoza bio je sasvim drugačiji. Pokazalo se da je mnogo jači od onoga što je zabilježeno kad je otkrivena crna rupa. Novi signal trajao je 100 sekundi, dok je signala iz crnih rupa samo nekoliko. To je značilo da se sudar dogodio mnogo bliže Zemlji.
Kad LIGO otkrije gravitacijske valove, automatski šalje obavijesti stotinama znanstvenika širom svijeta. Duncan Brown je jedan od njih. Vrlo smo brzo primili telefonsku dojavu i shvatili da je riječ o neočekivano jakom signalu gravitacijskih valova. Šokiralo nas je”, sjeća se.
Odmah je postalo jasno da to nije spajanje crnih rupa. Početna analiza pokazala je da valovi potječu od sudara dviju neutronskih zvijezda - objekata vrlo visoke gustoće. Vjeruje se da se unutar njih formiraju teški kemijski elementi.
Kad LIGO otkrije gravitacijske valove koji se sudaraju s crnim rupama, na nebu se ne može vidjeti ništa: crne rupe, kao što im ime govori, tamne su. Što je sa sudarom dviju neutronskih zvijezda? Spektakl bi trebao biti poput šarenog vatrometa.
Sarah Wilkinson / opservatorij Las Campanas
I tako se dogodilo: dvije sekunde nakon LIGO signala, NASA-in svemirski teleskop Fermi otkrio je gama-rafal - jedan od najmoćnijih naleta eksplozivne energije u Svemiru koji nam je poznat. Dugo vremena astronomi su gradili teorije da spajanje neutronskih zvijezda može izazvati eksplozije gama zraka. A sada to nije mogla biti slučajnost.
U isto vrijeme, svjetlost iz takvog eksplozivnog spajanja brzo se smanjuje. Brojanje je trajalo nekoliko minuta, a znanstvenici iz međunarodne znanstvene zajednice LIGO bili su prisiljeni požuriti. "Što brže dođete do teleskopa, više ćete informacija dobiti", kaže Brown. Proučavajući svjetlost i kako se ona mijenja, znanstvenici mogu prikupiti mnoštvo informacija koje će im pomoći da bolje razumiju neutronske zvijezde i kako je važno njihovo spajanje.
Brown i njegovi kolege počeli su raditi, organizirajući telekonferencije s desecima znanstvenika širom svijeta. LIGO tim surađivao je s partnerima iz VIRGO-a, talijanskog opservatorija za gravitacijske valove, kako bi udvostručenim naporima radili na mapi neba i pronalasku izvora gravitacijskih valova. Oni su suzili traganje dolje na područje veličine šake. (S astronomskog stajališta, čak je i ova regija ogroman prostor. Područje karte s glavicom šibice na duljini ruke može sadržavati tisuće galaksija.) VIRGO detektor u Italiji nije pokupio signal, što je pomoglo u određivanju položaja zvijezda. VIRGO nema zone prijema, pa bi se neutronske zvijezde trebale nalaziti u blizini jedne od njih.
Ova nebeska karta rezultat je kombiniranja podataka Fermija, LIGO-a, VIRGO-a i Integrala (još jednog opservatorija gama zraka). Svaki je detektor osigurao područje u kojem se može pojaviti signal. Tamo gdje su se preklapali, na karti kozmičkog blaga označeno je mjesto označeno križem.
Karta u ruci, LIGO tim poslao je e-mailove astronomima širom svijeta koji su mogli istraživati ovu regiju neba kako pada noć.
I sreća ih nije prošla! Nekoliko zemaljskih opservatorija uspjelo je otkriti položaj kilona (ili makrona) - eksploziju od sudara dviju neutronskih zvijezda. Fotografija s lijeve strane pokazuje što su astronomi snimili u uvodnoj noći. Desno je kako je to izgledalo nekoliko dana kasnije. Eksplozija se primjetno prigušila.
1M2H / UC Santa Cruz i Carnegie opservatorij / Ryan Foley
Ovako je izgledala galaksija nekoliko tjedana prije stvaranja kilonove (gornja slika). Donja slika prikazuje eksploziju.
GW-EM suradnja kamere tamne energije i suradnja DES / Berger
Slike mogu izgledati nejasno, ali na njima postoji mnoštvo informacija. Preciznim koordinatama znanstvenici mogu prilagoditi svemirski teleskop Hubble i svemirski rendgenski opservatorij Chandra da eksplodira kilonovu. Uz pomoć ovih alata astronomi će moći jednim procesom sagledati proces svemira.
Kako sudarajuće neutronske zvijezde stvaraju zlato
Neutronske zvijezde su neobična kozmička tijela. Nastaju kao rezultat gravitacijskog kolapsa zvijezda (na primjer, tijekom eksplozija supernove) i imaju vrlo visoku gustoću. Zamislite objekt s masom poput Sunca, ali promjera samo 25 kilometara. Ovo je 333.000 masa cijele Zemlje, komprimirano u kuglu veličine Velike četvrti Moskve. Tlak unutar je toliko ogroman da tamo mogu postojati samo neutroni (protoni spojeni s elektronima).
U galaksiji udaljenoj 130 milijuna svjetlosnih godina, dva takva objekta "plesala su" jedan oko drugoga, krećući se u orbiti i sve bliže i bliže. Sudarili su se, a oslobođena energija kroz svemir poslala je val koji iskrivljuje vrijeme i prostor, te strujanje čestica (prasak gama zraka otkriven zajedno s gravitacijskim valovima). I gravitacijski valovi i gama zraci kretali su se brzinom svjetlosti. Ovo je još jedan dokaz Alberta Einsteinove opće teorije relativnosti. Moguće je da su nakon spajanja neutronske zvijezde stvorile novu crnu rupu, budući da su imale dovoljnu masu. No, još uvijek nema dovoljno informacija za nedvosmislenu tvrdnju.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Ali jedno se već može sigurno reći: nakon eksplozije, mnogi od preostalih neutrona kombinirali su se i formirali kemijske elemente.
Svi mi i svi elementi na Zemlji napravljeni smo od zvijezda. Kao rezultat Velikog praska u početku vremena, formirali su se vrlo lagani elementi - vodik i helij. Ti se elementi kombiniraju kako bi tvorili zvijezde, unutar kojih su se tijekom fuzijskih reakcija pojavili elementi veće i veće mase.
Kad su zvijezde otišle supernove (kolaps i naknadna eksplozija), stvoreni su još teži elementi. Međutim, prema Brownu, pojava zlata i platine dugo je bila misterija. Čak i eksplozije supernove nisu dovoljno moćne da bi ih stvorile.
Postoje teorije da je kilogramska zvijezda (nastala spajanjem dviju neutronskih zvijezda) sposobna proizvoditi ove metale. A budući da su astronomi mogli pravovremeno odrediti mjesto gdje se spajanje dogodilo, potvrdili su ovu teoriju. Boja i kvaliteta svjetla preostalog nakon eksplozije potvrdili su stvaranje zlata i platine. Činilo se da su znanstvenici promatrali alkemiju u akciji.
"Zlato na Zemlji nekada je stvoreno nakon nuklearne eksplozije spajanjem [neutronskih zvijezda]", objašnjava Brown. - Sad imam platinasti vjenčani prsten na prstu. Samo pomislite, pojavila se zbog sudara neutronskih zvijezda!"
Dolazi nova era u astronomiji
Opisana otkrića označavaju početak nove ere u astronomiji. Znanstvenici će moći proučavati nebeska tijela ne samo uz pomoć svjetlosti i zračenja koje emitiraju, već će i ta kombiniranja kombinirati s informacijama dobivenim tijekom analize gravitacijskih valova. Ovaj podatak sadrži kako su se dvije neutronske zvijezde kretale jedna oko druge kada se sudar dogodio, kao i ogromno mnoštvo informacija o njegovim posljedicama.
S desne strane - vizualizacija tvari neutronskih zvijezda. S lijeve strane - izobličenje prostora-vremena u blizini eksplozija. Karan Janey / Georgia Institute of Technology
Kombinacija svih izvora informacija naziva se višekanalnom astronomijom, tj. Astronomijom koja se temelji na dodavanju promatranja elektromagnetskog spektra gravitacijskim valnim opažanjima. To je bio san znanstvenika LIGO od osnutka opservatorija.
"Zamislite da živite u sobi bez prozora, i sve što možete učiniti je čuti grmljavinu, ali ne vidjeti munju", objašnjava Vicki Kalogera, astrofizičarka sa Sveučilišta Northwestern i članica LIGO zajednice. - Zamislite sada da ste preseljeni u sobu s prozorom. Od sada ne samo da čujete grmljavinu, nego i vidite munju. Munja pruža posve novu priliku za proučavanje grmljavinske oluje i razumijevanje onoga što se stvarno događa."
Gravitacijski valovi grmljaju. Promatranje eksplozija pomoću teleskopa - munje.
Prije samo mjesec dana, trojica osnivača LIGO-a dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za svoj pionirski rad. Kao što je primijetio Ed Young iz Atlantika, dodjeljivanje nagrade trojici od stotina koji su dali značajan doprinos projektu LIGO stvara neugodnu i kontroverznu situaciju. Međutim, nedavni rezultati pokazuju da je nagrada za znanstveni rad bila zasluženo.
Najbolja stvar u promatranju gravitacijskih valova je da je proces pasivan. LIGO i VIRGO će „čuti“sve gravitacijske valove koji prolaze pored Zemlje istog dana. Svaki signal označava početak nove potrage za "blagom", jer znanstvenici trebaju razumjeti što je stvorilo fluktuacije u prostoru-vremenu.
Astronomi se nadaju da će vidjeti više spajanja i crnih rupa i neutronskih zvijezda. Ali mogu se otkriti još zanimljiviji fenomeni. Ako se promatrači LIGO i VIRGO nastave poboljšavati, postoji vjerojatnost da će biti moguće otkriti gravitacijske valove preostale od Velikog praska. Ili, što je još uzbudljivije, ove će opservatorije moći detektirati izvore gravitacijskih valova koji su do tada bili nepoznati i nisu ih mogli predvidjeti.
„Bio sam tužan što sam se rodio nakon prvog slijetanja na Mjesec,“rekao je Thomas Corbitt, fizičar i član zajednice LIGO na Sveučilištu Louisina State. - Ali kad postanete svjedok ovakvih događaja koji služe kao dokaz velikog uspjeha zajedničkih aktivnosti, pojavljuje se inspiracija. Daju nam više znanja o Svemiru."
Izvorni članak na engleskom jeziku dostupan je ovdje.