LIGO observatorija, kuras veidotāji saņēma 2017. gada Nobela prēmiju, jau ir mainījusi astronomijas pasauli. Kad zinātnieki no starptautiskās zinātniskās kopienas LIGO 2016. gadā atklāja pirmos gravitācijas viļņus, viņi atklāja jaunu Visuma novērošanas veidu. Pirmo reizi zinātniekiem bija iespēja "ieklausīties" telpas laika svārstībās, kas rodas lielu objektu (piemēram, melno caurumu) sadursmes rezultātā.
Bet tas bija tikai sākums. Mērķis bija apvienot gravitācijas viļņu novērošanu ar datiem no vairāk parastajiem teleskopiem.
2017. gada oktobrī Physical Review Letters LIGO zinātnieku komanda, kurā ietilpst vairāki tūkstoši cilvēku visā pasaulē, publicēja rakstu sēriju par neticamo atklājumu. Pētnieki spēja ne tikai noteikt gravitācijas viļņus no divu neitronu zvaigžņu sadursmes, bet arī noteikt to koordinātas debesīs, kā arī novērot parādību ar optisko un elektromagnētisko teleskopu palīdzību.
“Šis ir viens no pilnīgākajiem astrofizisko fenomenu stāstiem, kas ir iedomājams,” saka Sirakūzas universitātes fiziķis Pēteris Solsons un LIGO kopienas loceklis.
Katrs avots stāsta savu stāsta daļu
Gravitācijas viļņi fiziķiem norāda objektu lielumu un attālumu, kas ļauj viņiem atjaunot brīdi pirms sadursmes. Tad redzamā starojuma un elektromagnētisko viļņu novērojumi aizpilda spraugas, kuras gravitācijas viļņi nespēj izskaidrot. Viņi palīdz astronomiem noskaidrot, no kādiem objektiem tika izgatavoti un kādi ķīmiskie elementi nāca no sadursmes. Mūsu gadījumā zinātnieki varēja secināt, ka sprādziens neitronu zvaigžņu apvienošanās laikā izraisīja smago elementu - zelta, platīna un urāna - parādīšanos (kas iepriekš tika pieņemts tikai, bet to nevarēja apstiprināt ar tiešiem novērojumiem).
Tagad zinātniekiem ir izdevies savām acīm redzēt Visuma alķīmiju darbībā. "Es domāju, ka šī atklājuma ietekme uz zinātni būs nozīmīgāka nekā pirmā melno caurumu atklāšana ar gravitācijas viļņu palīdzību," sacīja cits LIGO kopienas un Sirakūzu universitātes zinātnieks Duncan Brown. "Šeit ir iesaistīti daudzi fizikas un astronomijas aspekti." Un tas viss ir dārgumu meklēšanas rezultāts starp zvaigznēm, kurā ir iesaistīta visa pasaule.
Reklāmas video:
Sacensības pret laiku. Vieta, kas apzīmēta ar krustiņu
17. augustā plkst.8.41 LIGO atklāja gravitācijas viļņus - laika un telpas izliekumu -, kas šķērso Zemi. LIGO ir divas L formas observatorijas ASV Luiziānas un Vašingtonas štatos, kas var reģistrēt viļņus, kas saspiež un izstiepj telpas-laika kontinuitāti.
Pēdējo divu gadu laikā LIGO ir spējusi noteikt gravitācijas viļņus, ko rada melno caurumu sadursme. Bet signāls 17. augustā bija pavisam citāds. Tas izrādījās daudz spēcīgāks par to, kas tika ierakstīts, kad tika atklāts melnais caurums. Jaunais signāls ilga 100 sekundes, savukārt signāli no melnajiem caurumiem bija tikai daži. Tas nozīmēja, ka sadursme notika daudz tuvāk Zemei.
Kad LIGO nosaka gravitācijas viļņus, tas automātiski nosūta paziņojumus simtiem zinātnieku visā pasaulē. Duncan Brown ir viens no viņiem. “Ļoti ātri saņēmām telefona signālu un sapratām, ka tas ir negaidīti spēcīgs signāls par gravitācijas viļņiem. Tas mūs šokēja,”viņš atceras.
Uzreiz kļuva skaidrs, ka tā nav melno caurumu apvienošanās. Sākotnējā analīze parādīja, ka viļņi radās divu neitronu zvaigžņu - objektu ar ļoti lielu blīvumu - sadursmes rezultātā. Tiek uzskatīts, ka to iekšpusē veidojas smagie ķīmiskie elementi.
Kad LIGO nosaka gravitācijas viļņus no sadursmju melnajiem caurumiem, debesīs neko nevar redzēt: melnie caurumi, kā norāda viņu nosaukums, ir tumši. Kā būtu ar divu neitronu zvaigžņu sadursmi? Briļlim vajadzētu būt kā krāsainai uguņošanai.
Sāra Vilkinsone / Las Kampanas observatorija
Un tā tas notika: divas sekundes pēc LIGO signāla NASA Fermi kosmosa teleskops atklāja gamma staru pārrāvumu - vienu no visspēcīgākajiem sprādzienbīstamās enerģijas pārrāvumiem Visumā, kas mums zināms. Ilgu laiku astronomi ir izveidojuši teorijas, ka neitronu zvaigžņu apvienošanās var izraisīt gamma staru pārrāvumus. Un tagad tā nevarēja būt sakritība.
Tajā pašā laikā no šādas sprādzienbīstamas saplūšanas gaisma ātri aptumšo. Skaits turpinājās minūtes, un zinātnieki no starptautiskās zinātniskās kopienas LIGO bija spiesti steigties. “Jo ātrāk nokļūsit teleskopā, jo vairāk informācijas iegūsit,” saka Brauns. Pētot gaismu un kā tā mainās, zinātnieki var iegūt daudz informācijas, kas viņiem palīdzēs labāk izprast neitronu zvaigznes un to, kā tās apvieno mainīgās vielas.
Brauns un viņa kolēģi nokļuva darbā, organizējot telekonferences ar desmitiem zinātnieku visā pasaulē. LIGO komanda strādāja ar partneriem no VIRGO, Itālijas gravitācijas viļņu observatorijas, lai strādātu ar dubultotām pūlēm, lai kartētu debesis un noteiktu gravitācijas viļņu avotu. Viņi sašaurināja meklēšanu līdz dūres izmēra laukumam rokas garumā. (No astronomiskā viedokļa pat šis reģions ir milzīga telpa. Kartes apgabalā ar spēles galvu rokas garumā var būt tūkstošiem galaktiku.) VIRGO detektors Itālijā neuztvēra signālu, kas palīdzēja noteikt zvaigžņu atrašanās vietu. VIRGO ir zonas, kurās nav uztveršanas, tāpēc neitronu zvaigznēm vajadzēja atrasties netālu no vienas no tām.
Šī debess karte ir iegūta, apvienojot informāciju no Fermi, LIGO, VIRGO un Integral (cita gamma staru observatorija). Katrs detektors nodrošināja zonu, kurā varēja rasties signāls. Kur tie pārklājās, tika norādīta vieta, kas kosmisko bagātību kartē apzīmēta ar krustiņu.
Karte rokā, LIGO komanda izsūtīja e-pastus astronomiem visā pasaulē, kuri nakts kritiena laikā varēja izpētīt šo debesu reģionu.
Un veiksme viņiem nepagāja garām! Vairākas uz zemes esošās observatorijas spēja noteikt kilograma (vai makrona) atrašanās vietu - sprādzienu no divu neitronu zvaigžņu sadursmes. Fotoattēlā pa kreisi redzams, ko astronomi iemūžināja atklāšanas vakarā. Labajā pusē ir tas, kā tas izskatījās pēc dažām dienām. Sprādziens bija ievērojami aptumšojies.
1M2H / UC Santa Cruz un Carnegie Observatory / Ryan Foley
Šādi galaktika izskatījās pāris nedēļas pirms kilonovas veidošanās (augšējais attēls). Apakšējā attēlā redzams sprādziens.
Dark Energy Energy GW-EM sadarbība un DES / Berger sadarbība
Attēli var šķist izplūduši, taču par tiem ir daudz informācijas. Ar precīzām koordinātām zinātnieki var noskaņot Habla kosmisko teleskopu un Chandra kosmosa rentgena observatoriju, lai eksplodētu kilonova. Ar šo rīku palīdzību astronomi varēs ar vienu aci aplūkot Visuma procesu.
Kā sadurstošās neitronu zvaigznes rada zeltu
Neitronu zvaigznes ir neparasti kosmiski ķermeņi. Tās veidojas zvaigžņu gravitācijas sabrukšanas rezultātā (piemēram, supernovas sprādzienu laikā), un tām ir ļoti augsts blīvums. Iedomājieties objektu, kura masa ir tāda kā Saule, bet tikai 25 kilometru diametrā. Tas ir 333 000 visas Zemes masu, saspiests bumbiņā, kas ir aptuveni Maskavas Centrālā rajona izmēra. Spiediens iekšpusē ir tik milzīgs, ka tajā var pastāvēt tikai neitroni (protoni, kas sakausēti ar elektroniem).
Galaktikā, kas atrodas 130 miljonu gaismas gadu attālumā, divi šādi objekti "dejoja" viens otram, pārvietojoties orbītā un arvien tuvāk. Viņi sadūrās, un caur Visumu atbrīvotā enerģija nosūtīja vilni, kas izkropļo laiku un telpu, un daļiņu straumi (gamma staru plīsums tika atklāts kopā ar gravitācijas viļņiem). Gan gravitācijas viļņi, gan gamma stari pārvietojās gaismas ātrumā. Tas ir vēl viens Alberta Einšteina vispārīgās relativitātes teorijas pierādījums. Iespējams, ka pēc apvienošanās neitronu zvaigznes izveidoja jaunu melno caurumu, jo tām bija pietiekama masa. Tomēr vēl nav pietiekami daudz informācijas, lai izteiktu viennozīmīgu paziņojumu.
V. Kastauns / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Čolfi / A. Endrzzi
Bet vienu lietu jau var droši teikt: pēc sprādziena daudzi no atlikušajiem neitroniem apvienojās un veidoja ķīmiskos elementus.
Mēs visi un katrs Zemes elements ir izgatavots no zvaigznēm. Laika sākumā lielā sprādziena rezultātā izveidojās ļoti gaiši elementi - ūdeņradis un hēlijs. Šie elementi apvienojās, veidojot zvaigznes, kuru iekšpusē saplūšanas reakciju laikā parādījās elementi ar lielāku un lielāku masu.
Kad zvaigznes pārgāja supernovā (sabrukums un sekojošais sprādziens), tika izveidoti vēl smagāki elementi. Tomēr, pēc Brauna teiktā, zelta un platīna izskats jau sen ir noslēpums. Pat supernovas sprādzieni nav pietiekami jaudīgi, lai tos izveidotu.
Ir bijušas teorijas, ka kilograma zvaigzne (kas rodas, apvienojoties divām neitronu zvaigznēm) ir spējīga ražot šos metālus. Un tā kā astronomi varēja savlaicīgi noteikt vietu, kur notika apvienošanās, viņi apstiprināja šo teoriju. Pēc sprādziena palikušās gaismas krāsa un kvalitāte apstiprināja zelta un platīna veidošanos. Likās, ka zinātnieki ir vērojuši alķīmijas darbību.
“Zelts uz Zemes kādreiz tika izveidots pēc kodolsprādziena [neitronu zvaigžņu] apvienošanās rezultātā,” skaidro Brauns. - Tagad man uz pirksta ir platīna kāzu gredzens. Padomā tikai, tas parādījās neitronu zvaigžņu sadursmes dēļ!"
Tuvojas jauns laikmets astronomijā
Aprakstītais atklājums iezīmē jauna laikmeta sākumu astronomijā. Zinātnieki varēs pētīt debess ķermeņus ne tikai ar to izstarotās gaismas un starojuma palīdzību, bet arī apvienot šos novērojumus ar informāciju, kas iegūta gravitācijas viļņu analīzes laikā. Šī informācija satur to, kā divas neitronu zvaigznes pārvietojās viena otrai, kad notika sadursme, kā arī milzīgu informāciju par tās sekām.
Labajā pusē - neitronu zvaigžņu vielas vizualizācija. Kreisajā pusē - kosmosa laika izkropļojumi sprādzienu tuvumā. Karan Janey / Džordžijas Tehnoloģiju institūts
Visu informācijas avotu kombinācija tiek saukta par daudzkanālu astronomiju, tas ir, astronomiju, kuras pamatā ir elektromagnētiskā spektra novērojumu pievienošana ar gravitācijas viļņu novērojumiem. Kopš observatorijas dibināšanas tas ir bijis LIGO zinātnieku sapnis.
“Iedomājieties, ka dzīvojat telpā bez logiem, un viss, ko varat darīt, ir dzirdēt pērkonu, bet neredzēt zibens,” skaidro Vicki Kalogera, Ziemeļrietumu universitātes astrofiziķis un LIGO kopienas loceklis. - Tagad iedomājies, ka tevi pārcēla uz istabu ar logu. Kopš šī brīža jūs ne tikai dzirdat pērkonu, bet arī redzat zibens. Zibens sniedz pilnīgi jaunu iespēju pērkona negaisa izpētei un izpratnei par to, kas patiesībā notiek."
Gravitācijas viļņi ir pērkons. Novērot sprādzienus caur teleskopu - zibens.
Tieši pirms mēneša trīs LIGO dibinātāji par Novatorisko darbu saņēma Nobela prēmiju fizikā. Kā novēroja Eds Youngs no Atlantijas okeāna, balvas piešķiršana trim no simtiem, kuri ir snieguši nozīmīgu ieguldījumu LIGO projektā, rada neērtu un pretrunīgu situāciju. Tomēr jaunākie rezultāti liecina, ka balva par zinātnisko darbu bija pelnīta.
Vislabākais, novērojot gravitācijas viļņus, ir tas, ka process ir pasīvs. LIGO un VIRGO tajā pašā dienā "dzirdēs" visus gravitācijas viļņus, kas iet garām Zemei. Katrs signāls iezīmē jauna “dārgumu” meklēšanas sākumu, jo zinātniekiem ir jāsaprot, kas izraisīja telpas laika svārstības.
Astronomi cer redzēt vairāk melno caurumu un neitronu zvaigžņu apvienošanos. Bet var atklāt vēl interesantākas parādības. Ja LIGO un VIRGO observatorijas turpinās pilnveidoties, pastāv iespēja, ka būs iespējams noteikt gravitācijas viļņus, kas palikuši no Lielā sprādziena. Vai, vēl aizraujošāk, šie observatorijas spēs atklāt gravitācijas viļņu avotus, kas iepriekš nebija zināmi un nevarēja paredzēt.
“Man bija skumji, ka es piedzimu pēc pirmās piesātinātās nosēšanās uz Mēness,” sacīja Tomass Korbiits, fiziķis un Lugas Valsts universitātes LIGO kopienas loceklis. - Bet, kad jūs kļūstat par tādu notikumu liecinieku kā šie, kas kalpo kā pierādījums kopīgo aktivitāšu lielajiem panākumiem, parādās iedvesma. Viņi dod mums vairāk zināšanu par Visumu."
Raksta oriģināls angļu valodā ir pieejams šeit.