Astronomowie szpiegują czarną dziurę pożerając gwiazdę neutronową

Astronomowie szpiegują czarną dziurę pożerając gwiazdę neutronową
4.3 (85.38%) 26 votes


Około 870 milionów lat temu dwie martwe gwiazdy stały się jedną. Ich połączenie wstrząsnęło przestrzenią z falą grawitacyjną, która przetoczyła się przez Ziemię w ostatnią środę, falując przez trzy pary dokładnie skalibrowanych laserów zaprojektowanych do wykrywania ich przejścia. Zautomatyzowany system wysłał wstępne ostrzeżenie 21 sekund później, wibrując smartfony i pingując laptopy na całym świecie.

Trzy lata po zdobyciu nagrody Nobla pierwsze wykrycie fali grawitacyjnej, które wynikało z pary zderzających się czarnych dziur, takie powiadomienia stały się powszechne. Tym razem jednak astrofizycy od razu wiedzieli, że obserwowane wydarzenie było wyjątkowe. „Szczęka mi opadła, gdy zobaczyłem dane”, mówi California State University, Fullerton (C.S.U.F.), członek Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Scientific Collaboration.

Fala została wykryta przez LIGO w USA i Obserwatorium Virgo we Włoszech pod adresem. Automatyczny pierwszy przebieg ustalił, że jest to wynikiem bezprecedensowego połączenia pary ciał zbyt zbyt lekkich, aby je sklasyfikować, wysyłając astronomów, którzy szukają dodatkowych emisji elektromagnetycznych ze zdarzenia. Późniejsza analiza sklasyfikowała sygnał jako zderzenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową, gwiezdną pozostałością, w której grawitacja wciska całą masę Słońca w kulę wielkości miasta. Byłoby to pierwsze takie zdarzenie wykryte z pewnością i – po czarnej dziurze – zmiażdżeniu czarnej dziury i fuzji dwóch gwiazd neutronowych – trzecia odmiana zderzenia wykrywana przez fale grawitacyjne. Jeśli obecna analiza się utrzyma, wydarzenie to, nazwane S190814bv, wyznaczy początek nowej ery badań astrofizycznych, z implikacjami dla zrozumienia przez naukowców ogólnej teorii względności Einsteina, śmierci gwiazd i zachowania ekstremalnej materii.

Sygnał „Off the Charts”

, współpracownik LIGO i astrofizyk z Pennsylvania State University, świętował rocznicę ślubu z żoną, kiedy zadzwonił telefon. Jego grupa specjalizuje się w szybkiej klasyfikacji zdarzeń LIGO, więc natychmiast się zalogował, aby sprawdzić szczegóły fali. „Pierwszą rzeczą, jaką wiedziałem, było to, że było to niezwykle znaczące” – mówi Hanna – „trochę poza planem”.

Algorytmiczny potok współpracy LIGO-Virgo wydziela podstawową klasyfikację opartą na kształcie fali, jej czasie trwania i innych czynnikach niemal natychmiast – zespół Hanny dąży do mniej niż 20 sekund – dzięki czemu astronomowie mogą natychmiast obrócić swoje teleskopy w kierunku niebiańskim, w którym nadeszła fala z.

W środę automatyczny system z przekonaniem oświadczył, że co najmniej jeden z przedmiotów, które wytworzyły S190814bv, wpadł w „lukę masową”, pustkowie, obejmującą od trzech do pięciu mas Słońca, pozornie pozbawioną czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Wszystkie znane czarne dziury ważą więcej niż pięć słońc, podczas gdy wszystkie znane gwiazdy neutronowe – zrodzone z jaśniejszych gwiazd, które przestały być czarnymi dziurami – ważą mniej niż trzy słońca. Detekcja luki masowej byłaby pierwsza dla LIGO-Virgo – taka, która zaostrzyłaby teoretyczną linię oddzielającą najcięższe gwiazdy neutronowe od najlżejszych czarnych dziur – ale wstępna etykieta nie trwałaby. „Na całym świecie miało miejsce przekazanie” – mówi astrofizyk z C.S.U.F. oraz członek LIGO, zaczynając od naukowców w USA po południu 14 sierpnia, a obliczenia kontynuowane w Europie aż do następnego ranka.

Amerykańscy naukowcy obudzili czwartek do nowej klasyfikacji. Analiza ludzi określiła to wydarzenie jako połączenie gwiazdy z czarną dziurą neutronową z ponad 99-procentową pewnością. LIGO-Virgo słyszało zderzenia kilkunastu par czarnych dziur, a także dwóch par gwiazd neutronowych, ale nigdy nie słyszało jednoznacznie huków czarnej dziury połykającej gwiazdę neutronową.

„To jest coś, na co długo czekałem”, mówi profesor astronomii na Uniwersytecie Stony Brook i pionierski astrofizyk nuklearny, który pokazał, że połączenia gwiazd z czarnymi dziurami neutronów mogą rozpylać w przestrzeń ciężkie pierwiastki, takie jak złoto i uran. w jego .

Naukowcy, ale nie byli w stanie potwierdzić, że pochodzi on z kosmosu – sygnał związany z tym potencjalnym zdarzeniem, sugerują modele, miał szansę jeden na siedmiu, że był fałszywym alarmem wytwarzanym przez źródła naziemne, co oznaczałoby fałszywe wykrycie spodziewany raz na 20 miesięcy. Sygnał z zeszłego tygodnia jest jednak tak wyraźny, że fałszywy alarm byłby wydarzeniem raz na tryliony lat. „Kiedy jest więcej niż wiek wszechświata”, Lovelace mówi „wiesz, że to prawdziwa okazja”.

Sygnał ogłuszający S190814bv nie gwarantuje jednak, że astrofizycy zdecydowanie zapakowali swoje pierwsze zderzenie gwiazdy z neutronem i czarną dziurą. Podczas gdy obecna etykieta wyraźnie umieszcza cięższy obiekt na terytorium czarnej dziury (więcej niż pięć słońc), pozostawia lżejszego partnera w mrocznej strefie poniżej trzech mas Słońca. Jeśli dalsza analiza umieści partnera między jedną a dwiema masami słonecznymi, musi to być gwiazda neutronowa. Ale pomiar bliższy trzem słońcom może się przebić w obu kierunkach – w kierunku najcięższej znanej gwiazdy neutronowej we wszechświecie lub najlżejszej znanej czarnej dziury.

Przyszłe szacunki masy dadzą wyraźniejszy obraz, ale najpierw LIGO-Virgo będzie musiało porównać falę z naszymi najlepszymi modelami, które są zbyt skomplikowane, aby uruchomić je przez noc. Narzędzia teoretyczne drżą, gdy masy odchylają się od dwóch równomiernie zrównoważonych partnerów, więc badacze ostrzegają, że muszą kroczyć lekko po tym nieznanym terytorium. „Nadal analizujemy i sprawdzamy” – mówi Lovelace. „Ale jest to jak dotąd najbardziej obiecujący przypadek”.

Poszukuję światła

Detektor Virgo we Włoszech – wraz z tylko jednym z dwóch detektorów LIGO – początkowo rozpoznał falę, ale współpraca była w stanie ręcznie włączyć dane z drugiego detektora LIGO przez noc. Triangulacja od tego trzeciego wykrycia pozwoliła badaczom precyzyjniej określić lokalizację źródła na niebie niż jakakolwiek poprzednia fala tak szybko po wykryciu. „Otworzyłem (nową) mapę nieba i pomyślałem:„ Och, przypadkowo zaktualizowali pustą mapę nieba ””, czytając, przypomina sobie myśl, zanim zauważyła małą kropkę oznaczającą pochodzenie fali.

Zwężona lokalizacja, która stanowiła 0,06 procent całkowitej powierzchni nieba, przyniosła dobrodziejstwo zespołom astronomicznym szukającym błysku promieni gamma lub światła widzialnego, które mogłyby towarzyszyć śmierci gwiazdy neutronowej. „Zasadniczo jest to sposób na pokonanie tego obszaru w kilka minut”, mówi kosmolog z Uniwersytetu Brandeis, który koordynował obserwacje za pomocą kamery ciemnej energii na czterometrowym teleskopie w Chile.

Czarna dziura mogła zniszczyć gwiazdę neutronową, pozostawiając po sobie pierścień lśniących wraków, który wyblakł, gdy wpadł do oczekującej paszy. Alternatywnie, czarna dziura mogła połknąć gwiazdę neutronową w jednym czystym łyku, a niewiele zostało do zobaczenia. Symulacje LIGO-Virgo dla S190814bv przewidują ten drugi scenariusz, ale nikt nie wie na pewno, co się naprawdę wydarzyło. W przypadku pierwszej obserwacji nawet nic nie może być pouczające. „Wchodzimy z otwartym umysłem”, mówi Soares-Santos. „Jeśli nie ma odpowiednika elektromagnetycznego, będziemy w stanie ustalić z wystarczającym znaczeniem, że to będzie miał duży wpływ na teorie. ”

Sondowanie neutronium

Istnieje wiele teorii gwiazd neutronowych. Fizycy nuklearni szukają wglądu w obiekty, gdzie materia istnieje w gęstościach, które kwestionują obecne najlepsze modele. Jeśli na przykład ciśnienie rozpuści neutrony w plazmie cząstek fundamentalnych, gwiazdy neutronowe o określonej masie powinny wydawać się mniejsze niż byłyby w przeciwnym razie. Drobne cechy wykrytej fali grawitacyjnej wytwarzanej, gdy gwiazda spiralnie przechodzi do czarnej dziury, mogą ujawnić rozmiar gwiazdy i, odpowiednio, spójność materii, która ją wypełnia. Podobnie to, czy astronomowie zobaczą błysk, czy nie, również wyznaczy granice wielkości gwiazdy. Takie precyzyjne pomiary wymiarów gwiazdy neutronowej są „rodzajem świętego Graala fizyki jądrowej”, mówi doktorant z University of California w Berkeley, który nie bierze udziału we współpracy, która obserwowała to wydarzenie.

Czarna dziura zacierająca gwiazdę neutronową stanowi również nową arenę do testowania ogólnej teorii względności. Zastosowanie teorii grawitacji Einsteina do gładkiej tkaniny czasoprzestrzeni wokół czarnych dziur jest wystarczająco trudne, mówi Lovelace. Dodanie gorącej, burzliwej magnetyzowanej materii gwiezdnej neutronowej – egzotycznej substancji zwanej czasem „neutronem” – podnosi wyzwanie na nowy, niechlujny poziom.

Nawet jeśli środowa fala w czasoprzestrzeni nie ujawnia żadnych tajemnic natury, badacze są przekonani, że to tylko jedna z wielu, które nadejdą. „Mam nadzieję, że mówi nam coś o czarnej dziurze – gwiazdy neutronowej (fuzje)”, mówi Lovelace. „Ale jeśli nie, nadal bardzo optymistycznie przypuszczam, że niebo grawitacyjne jest jasne”.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *