Hvězdárna LIGO, jejíž tvůrci obdrželi Nobelovu cenu za rok 2017, již změnila svět astronomie. Když vědci z mezinárodní vědecké komunity LIGO objevili první gravitační vlny v roce 2016, objevili nový způsob pozorování vesmíru. Poprvé byli vědci schopni „poslouchat“výkyvy v časoprostoru, které vyplývají z kolize velkých objektů (například černých děr).
Ale to byl jen začátek. Cílem bylo kombinovat pozorování gravitačních vln s daty z konvenčnějších dalekohledů.
V říjnu 2017 publikoval tým vědců LIGO, který zahrnuje několik tisíc lidí po celém světě, v časopisu Physical Review Letters řadu článků o neuvěřitelném objevu. Vědci dokázali nejen detekovat gravitační vlny z kolize dvou neutronových hvězd, ale také určit jejich souřadnice na obloze, a také pozorovat jev pomocí optických a elektromagnetických dalekohledů.
"Toto je jeden z nejúplnějších příběhů astrofyzikálního fenoménu, jaký si lze představit," říká fyzik Peter Solson ze Syracuse University a člen komunity LIGO.
Každý zdroj vypráví svou vlastní část příběhu
Gravitační vlny říkají fyzikům velikost a vzdálenost objektů, což jim umožňuje znovu vytvořit okamžik, než se srazí. Pozorování viditelného záření a elektromagnetických vln pak vyplní mezery, které gravitační vlny nemohou vysvětlit. Pomáhají astronomům zjistit, z jakých předmětů byly vyrobeny a jaké chemické prvky pocházely z kolize. V našem případě vědci dospěli k závěru, že exploze během sloučení neutronových hvězd vedla ke vzniku těžkých prvků - zlata, platiny a uranu (což se dříve předpokládalo, ale nemohlo být potvrzeno přímým pozorováním).
Nyní se vědcům podařilo na vlastní oči vidět alchymii vesmíru v akci. "Myslím, že dopad tohoto objevu na vědu bude výraznější než první odhalení černých děr gravitačními vlnami," řekl Duncan Brown, další vědec z komunity LIGO a Syracuse University. "Je zde zahrnuto mnoho aspektů fyziky a astronomie." A to vše je výsledkem pokladu mezi hvězdami, do kterého je zapojen celý svět.
Propagační video:
Závod s časem. Místo označené křížem
17. srpna v 8:41 hod. LIGO detekoval gravitační vlny - zakřivení času a prostoru - procházející Zemí. LIGO jsou dvě observatoře ve tvaru písmene L ve Spojených státech amerických Louisiana a Washingtonu, které mohou registrovat vlny, které komprimují a protahují kontinuum časoprostoru.
Během posledních dvou let byl LIGO schopen detekovat gravitační vlny generované srážkou černých děr. Ale signál 17. srpna byl docela odlišný. Ukázalo se, že je mnohem silnější, než co bylo zaznamenáno, když byla objevena černá díra. Nový signál trval 100 sekund, zatímco signály z černých děr jen pár. To znamenalo, že ke srážce došlo mnohem blíže k Zemi.
Když LIGO detekuje gravitační vlny, automaticky odešle oznámení stovkám vědců z celého světa. Duncan Brown je jedním z nich. "Dostali jsme velmi rychle telefonní upozornění a zjistili jsme, že se jedná o nečekaně silný signál gravitačních vln." Šokovalo nás to, “vzpomíná.
Okamžitě vyšlo najevo, že se nejedná o sloučení černých děr. Počáteční analýza ukázala, že vlny pocházely z kolize dvou neutronových hvězd - objektů s velmi vysokou hustotou. Předpokládá se, že uvnitř se tvoří těžké chemické prvky.
Když LIGO detekuje gravitační vlny z kolizí černých děr, na obloze není vidět nic: černé díry, jak napovídá jejich název, jsou tmavé. A co srážka dvou neutronových hvězd? Brýle by měly být jako barevný ohňostroj.
Observatoř Sarah Wilkinson / Las Campanas
A tak se to stalo: dvě sekundy po signálu LIGO vesmírný dalekohled NASA Fermi detekoval výbuch gama paprsků - jeden z nejsilnějších výbuchů výbušné energie ve vesmíru, který je nám znám. Astronomové dlouhodobě vytvářejí teorie, že sloučení neutronových hvězd může způsobit výbuchy gama paprsků. A teď to nemůže být náhoda.
Současně světlo z takové explozivní fúze rychle ztmavne. Počítání trvalo několik minut a vědci z mezinárodní vědecké komunity LIGO byli nuceni spěchat. "Čím rychleji se dostanete k dalekohledu, tím více informací získáte," říká Brown. Ze zkoumání světla a jeho změn mohou vědci shromáždit velké množství informací, které jim pomohou lépe porozumět neutronovým hvězdám a jak sloučí změnu hmoty.
Brown a jeho kolegové začali pracovat, organizovali telekonference s desítkami vědců z celého světa. Tým LIGO spolupracoval s partnery z italské observatoře gravitačních vln VIRGO, aby pracoval s zdvojnásobenou snahou zmapovat oblohu a lokalizovat zdroj gravitačních vln. Zúžili pátrání po paži na oblast pěstí. (Z astronomického hlediska je i tato oblast obrovským prostorem. Oblast mapy s hlavicí v délce paže může obsahovat tisíce galaxií.) Detektor VIRGO v Itálii nezachytil signál, který pomohl určit polohu hvězd. VIRGO nemá zóny příjmu, proto by neutronové hvězdy měly být umístěny poblíž jedné z nich.
Tato mapa oblohy je výsledkem kombinace informací z Fermi, LIGO, VIRGO a Integral (další observatoř gama paprsků). Každý detektor poskytoval oblast, ve které by se mohl objevit signál. Tam, kde se překrývaly, bylo označeno místo označené na mapě kosmických pokladů křížkem.
Mapa v ruce, tým LIGO rozeslal e-maily astronomům po celém světě, kteří by mohli v noci, když noc klesá, prozkoumat tuto oblast oblohy.
A štěstí jim neprošlo! Několik pozemních observatoří dokázalo detekovat polohu kilon (nebo makron) - exploze z kolize dvou neutronových hvězd. Fotografie vlevo ukazuje, co astronomové zachytili během úvodní noci. Vpravo je, jak to vypadalo o několik dní později. Výbuch znatelně tlumil.
1M2H / UC Santa Cruz a observatoř Carnegie / Ryan Foley
Takto vypadala galaxie pár týdnů před vytvořením kilonova (horní obrázek). Spodní obrázek ukazuje explozi.
Spolupráce s kamerou Dark Energy GW-EM a spolupráce DES / Berger
Obrázky se mohou zdát nejasné, ale je v nich spousta informací. Na základě přesných souřadnic mohou vědci vyladit Hubbleův kosmický dalekohled a rentgenovou observatoř Chandra, aby explodovali kilonova. S pomocí těchto nástrojů se astronomové budou moci dívat na proces vesmíru jedním okem.
Jak kolizní neutronové hvězdy vytvářejí zlato
Neutronové hvězdy jsou neobvyklá vesmírná těla. Vznikají v důsledku gravitačního kolapsu hvězd (například při výbuchu supernovy) a mají velmi vysokou hustotu. Představte si objekt s hmotou jako je Slunce, ale v průměru jen 25 kilometrů. To je 333 000 hmot celé Země, stlačené do koule o velikosti centrálního okresu v Moskvě. Tlak uvnitř je tak obrovský, že tam mohou existovat pouze neutrony (protony fúzované s elektrony).
V galaxii vzdálené 130 milionů světelných let se dva takové objekty „tančily“kolem sebe, pohybovaly se na oběžné dráze a přibližovaly se. Sráželi se a uvolněná energie vesmírem poslala vlnu, která zkresluje čas a prostor, a proud částic (paprsek gama detekovaný spolu s gravitačními vlnami). Gravitační vlny i gama paprsky cestovaly rychlostí světla. Toto je další důkaz obecné teorie relativity Alberta Einsteina. Je možné, že po sloučení neutronové hvězdy vytvořily novou černou díru, protože měly dostatečnou hmotnost. Zatím však není dost informací pro jednoznačné vyjádření.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Jednu věc však již lze s jistotou říci: po výbuchu se mnoho zbývajících neutronů spojilo a vytvořilo chemické prvky.
Všichni z nás a každý prvek na Zemi jsou vyrobeni z hvězd. V důsledku velkého třesku na začátku času vznikly velmi lehké prvky - vodík a helium. Tyto prvky se spojily do hvězd, uvnitř kterých se během fúzních reakcí objevily prvky s většími a většími hmotami.
Když hvězdy přešly na supernovu (kolaps a následný výbuch), byly vytvořeny ještě těžší prvky. Podle Browna je však vzhled zlata a platiny dlouho záhadou. Dokonce ani výbuchy supernovy nejsou dostatečně silné, aby je vytvořily.
Existují teorie, že kilonová hvězda (vytvořená sloučením dvou neutronových hvězd) je schopna tyto kovy produkovat. A protože astronomové dokázali včas určit místo, kde došlo ke sloučení, potvrdili tuto teorii. Barva a kvalita světla zbylého po explozi potvrdila tvorbu zlata a platiny. Zdálo se, že vědci sledovali alchymii v akci.
„Zlato na Zemi bylo kdysi vytvořeno po jaderné explozi sloučením [neutronových hvězd],“vysvětluje Brown. - Teď mám na prstě platinový snubní prsten. Jen si pomysli, že se to objevilo kvůli kolizi neutronových hvězd! “
Přichází nová éra astronomie
Popsaný objev znamená začátek nové éry astronomie. Vědci budou moci studovat nebeská těla nejen pomocí světla a záření, které vyzařují, ale také tato pozorování kombinovat s informacemi získanými při analýze gravitačních vln. Tato informace obsahuje, jak se dvě neutronové hvězdy pohybovaly kolem sebe, když došlo ke srážce, a obrovské množství informací o jejích důsledcích.
Vpravo - vizualizace podstaty neutronových hvězd. Vlevo - zkreslení časoprostoru v blízkosti explozí. Karan Janey / Gruzínský technologický institut
Kombinace všech zdrojů informací se nazývá multikanálová astronomie, tj. Astronomie založená na přidání pozorování elektromagnetického spektra s pozorováním gravitační vlny. Od založení observatoře to byl sen vědců LIGO.
"Představte si, že žijete v místnosti bez oken a vše, co můžete udělat, je slyšet hrom, ale nevidíte blesky," vysvětluje Vicki Kalogera, astrofyzik na Severozápadní univerzitě a člen komunity LIGO. - Nyní si představte, že jste byli přemístěni do místnosti s oknem. Od této chvíle nejen uslyšíte hrom, ale také uvidíte blesky. Lightning poskytuje zcela novou příležitost ke studiu bouřek a pochopení toho, co se skutečně děje. “
Gravitační vlny jsou hromy. Pozorování výbuchů dalekohledem - blesky.
Ještě před měsícem získali tři zakladatelé společnosti LIGO Nobelovu cenu za fyziku za průkopnickou práci. Jak poznamenal Ed Young of the Atlantic, udělení ceny třem ze stovek, kteří významně přispěli k projektu LIGO, vytváří nepříjemnou a kontroverzní situaci. Nedávné výsledky však ukazují, že cena za vědeckou práci byla zasloužená.
Nejlepší věc na pozorování gravitačních vln je, že proces je pasivní. LIGO a VIRGO „uslyší“všechny gravitační vlny, které ve stejný den projdou Zemí. Každý signál znamená začátek nového hledání „pokladů“, protože vědci musí pochopit, co způsobilo fluktuace v časoprostoru.
Astronomové doufají, že uvidí další sloučení černých děr a neutronových hvězd. Mohou však být objeveny ještě zajímavější jevy. Pokud se observatoře LIGO a VIRGO budou nadále zlepšovat, je pravděpodobné, že bude možné odhalit gravitační vlny, které zbyly z Velkého třesku. Nebo více vzrušující je, že tyto observatoře budou schopné detekovat zdroje gravitačních vln, které byly dříve neznámé a nemohly předvídat.
"Byl jsem smutný, že jsem se narodil po prvním přistání s posádkou na Měsíci," řekl Thomas Corbitt, fyzik a člen komunity LIGO na Louisinské státní univerzitě. - Ale když se stanete svědky takových událostí, které slouží jako důkaz velkého úspěchu společných aktivit, objeví se inspirace. Dávají nám více informací o vesmíru. ““
Původní článek v angličtině je k dispozici zde.