2017-ben két neutroncsillag összeolvadt egy 130 millió fényév távolságban lévő galaxisban. Megfigyeltük egy nagyon gyors sugárhajtót, amely szinte a fénysebességgel mozog, ami azt jelenti, hogy akadálytalanul áttörhette a kiutasított anyag héját. (BEABUDAI DESIGN)

Az összekapcsolódó neutroncsillagok megállíthatatlan sugárhajtóművé váltak, és szinte a fénysebességgel mozog

2017-ben először és egyetlen alkalommal láttuk a gravitációs hullámokat egy neutroncsillagos fúzióval. És ez egyre érdekesebbé válik.

2017. augusztus 17-én egy kozmikus jel érkezett a Földre, amely örökre megváltoztatja az Univerzum szemléletmódját. Több mint 100 millió évvel ezelőtt az NGC 4993 távoli galaxisban két, egymással összekötött neutroncsillag befejezte az inspirációt, és összeolvadt, és ezzel megdöbbentő kozmikus robbanást hoztak létre. Az esemény ma kilonova néven ismert, és úgy gondolják, hogy felelős az egész világegyetemben jelen lévő legnehezebb elemek létrehozásáért.

Az inspiráció és az egyesülés két olyan jelet hozott létre, amelyeket gyakorlatilag egyszerre tudtunk kimutatni: gravitációs hullámok, amelyek a LIGO-val és a Virgo-val kimutathatók, és elektromágneses sugárzás vagy fény a teljes hullámhossz-sorozaton keresztül, amelyet megfigyelni tudunk. De van még valami más is, amit kibocsátott: az anyag. Ma a Science új kiadványában a tudósok megállapították, hogy hatalmas sugárhajtóműt állítottak elő, és ez még mindig csaknem a fénysebességgel mozog.

A művész szemlélteti két összeolvadó neutroncsillagot. A hullámzó téridő-rács az ütközésből kibocsátott gravitációs hullámokat képviseli, míg a keskeny sugarak olyan gamma-sugarak fúvói, amelyek csak néhány másodperccel a gravitációs hullámok után lőnek ki (ezeket a csillagászok gamma-sugárzásként észlelik). A csillagászok által látott sugárhajtóműnek meg kell különböznie tőle. (NSF / LIGO / SONOMA ÁLLAMI EGYETEM / A. SIMONNET)

Nem meglepő, hogy egy ilyen esemény olyan energiát produkál. Maguk a neutroncsillagok a legszélsőségesebb tárgyak, amelyeket el lehet képzelni. Képzelje el, hogy vesz egy olyan súlyos tárgyat, mint a Nap vagy még nagyobb, és tömörítse le egy olyan golyóba, amely körülbelül olyan nagy város, mint Chicago. Olyan lenne, mint egy hatalmas atommag, ahol a belső 90% -a egyszerűen szilárd neutronok gömbje, innen a neutron csillag neve.

A neutroncsillagok önmagukban olyan gyorsan tudnak forogni - akár a fénysebesség kb. Kétharmadáig is -, hogy a legnagyobb ismert mágneses mezőket hozzák létre az univerzumban: több százmilliószor annyira erős, mint a Föld bármely mágnese, és egy kvadrillió -szor erősebb, mint a Föld mágneses tere. Amennyire tudjuk, ha bármilyen sűrűbb neutroncsillagot készítene, akkor fekete lyukba zuhan.

Annak ellenére, hogy egy neutroncsillag többnyire semleges részecskékből készül, a legerősebb mágneses mezőket hozza létre az univerzumban, ezredmilliószor erősebb, mint a Föld felszínén lévő mezők. Amikor a neutroncsillagok összeolvadnak, mind gravitációs hullámokat, mind pedig elektromágneses aláírásokat keltenek, és ha körülbelül 2,5-3 napenergiás küszöböt lépnek át (a spin függvényében), egy másodpercen belül fekete lyukakká válhatnak. (NASA / CASEY REED - PENN ÁLLAMI EGYETEM)

Amit 2017-ben megfigyeltünk, még látványosabb volt, mint önmagában a neutroncsillag: megfigyeltük ezen objektumok két inspirációját és egyesülését. Mielőtt az egyesülés megtörtént, tudjuk, hogy két neutroncsillag, amelyek mindegyike valamivel tömegebb, mint a Napunk, egy bináris pályára van zárva. Ahogy a közös tömegközépponton mozogtak, gravitációs hullámokat bocsátottak ki, energiát sugározva, miközben pályájuk szűkült és gyorsabb lett.

A két neutroncsillag inspirációja és egyesülése, amint az itt látható, nagyon specifikus gravitációs hullámjelet produkált. Ezenkívül az egyesülés pillanatában és következményei olyan elektromágneses sugárzást eredményeztek, amely egyedülálló és azonosítható egy ilyen kataklizmához tartozik. (NASA / CXC / GSFC / T.STROHMAYER)

A végső pillanatban ez a sugárzás mind az amplitúdóban, mind a frekvenciában növekedett, majd elérték az összes legfontosabb pillanatot: felületük megérintett. Egy másodperc apró részében sűrűségük megnőtt egy kritikus küszöbön, és egy rohanó nukleáris reakció zajlott le, ahol érintkezésbe kerültek egymással. Egyszerre egy kilonova néven ismert esemény történt.

Kevesebb, mint két másodperccel azután, hogy a gravitációs hullámok elérték a legerősebb erőt, egy tüskét láttak az elektromágneses spektrumban: a NASA Fermi gammasugár-megfigyelőközpontja. Ez a gamma-sugaras robbanásnak nevezett esemény volt az első, amely korábban korrelált egy neutron csillag-neutron csillag egyesüléssel.

Az 130 millió fényév távolságra fekvő NGC 4993 galaxist már korábban is ábrázolták. De a gravitációs hullámok 2017. augusztus 17-i észlelése után egy új, átmeneti fényforrást láttak: egy neutroncsillag-neutroncsillag fúzió optikai párját. (P. K. BLANCHARD / BERGER E. / PAN-STARRS / DECAM)

A tört esetleg rövid életű volt, mind gravitációs hullámokban, mind gamma-sugarakban, de a kapott jelek látványosan informatívak voltak. Szinte azonnal megtanultuk:

  • milyen voltak a neutroncsillagok tömege (körülbelül 1,3 Nap) és a távolság (kb. 130 millió fényév),
  • mi lett az egyesülés után (gyorsan forgó neutroncsillag, amely kevesebb, mint egy másodperc alatt fekete lyukba zuhant),
  • a tömeg mekkora része fekete lyuk lett (kb. 95%),
  • és mi történt a tömeg többi részével (ez lett a periódusos rendszer legnehezebb elemeinek, beleértve az aranyat, a platinát, az uránt és a plutóniumot).
Amikor két neutroncsillag összeolvad, amint azt itt szimuláljuk, gamma-sugárzású sugárhajtóműveket és más elektromágneses jelenségeket kell létrehozniuk, amelyek, ha elég közel vannak a Földhöz, láthatóak lehetnek a legnagyobb csillagvizsgálóink ​​közül. (NASA / EINSTEIN ALBERT INTÉZET / BERLIN ZUSE INSTITUTE / KOPPITZ M. ÉS REZZOLLA L.)

De még nem végeztük el. Még mindig volt az utánvilágítás, amely láthatóvá vált a világ különböző hullámhosszú távcsövein. A röntgen, az ultraibolya, az optikai, az infravörös és a rádiós távcsövek mind megtekintették az első ilyen jellegű eseményt, hetekig folyamatosan figyelemmel kísérve azt. Az utóvilágítás, ahogy egyre hosszabb és hosszabb hullámhosszra mentünk, az idő előrehaladtával világossá vált, majd a legtöbb frekvencia elhalványult, ahol megnézhettük.

Meg tudtuk számolni a különféle elemek előállítását. Például körülbelül 10⁴⁶ aranyat hoztak létre, vagy tíz kvadrilliószor annyit, amennyit az emberi történelem során bányászunk. Megtudtuk, hogy a két neutroncsillag mintegy 11 milliárd évvel ezelőtt származott, és azóta inspiráltak, egészen addig a pillanatig, amikor összeolvadtak. Megtudtuk, hogy a világegyetem legnehezebb elemeinek nagy része neutroncsillagokból készül, mint ez.

Két összeolvadó neutroncsillag, amint az itt látható, spirálba lép és gravitációs hullámokat bocsát ki, de sokkal alacsonyabb amplitúdójú jelet hoz létre, mint a fekete lyukak. Ezért csak akkor láthatók, ha nagyon közel vannak, és csak nagyon hosszú integrációs időkben. Az egyesülés külső rétegeiből leválasztott ejecta sok hónapig gazdag elektromágneses jelforrás maradt. (DANA BERRY / SKYWORKS DIGITAL, INC.)

De még mindig nem végeztünk. Annak ellenére, hogy a jelek az elektromágneses spektrum egészében elhalványultak, még sok tennivaló volt. A fény nagy részét az anyag radioaktív bomlása okozta, amelyet az ütközési pontot körülvevő csillagközi közegbe injektáltak, és - ahogy a félidővel bármitől elvárhatunk - a bomlások nagy része korán következett be, és gyorsan leesett.

De aztán, hetekkel az ütközés után, megjelent a röntgen és a rádióhullám is, és ez a továbbfejlesztett új jel hónapokig tartott. Eredetileg elméletileg azt állították, hogy van olyan anyag, amelyet az ütközés bocsát ki, és az összetöri a gázt, amely már létezett a csillagközi közegben. Ez az interakció energiát adott a befecskendezéshez, a gondolatvonal ment végbe, és ez volt a felelős a korábban elhalványult ragyogás újbóli megjelenéséhez.

A két neutroncsillag inspirációja és egyesülése során hatalmas mennyiségű energiát kell szabadítani, nehéz elemekkel, gravitációs hullámokkal és elektromágneses jellel, amint az itt látható. Nagyon meglepő azonban az volt, hogy két relativista fúvóka másodpercenként, később felrobbanott, amely az összefonódás következményeiből merült fel. (NASA / JPL)

A tudomány legjobb példáiban azonban nem pusztán közölünk egy valószínű magyarázatot, és az ügyet zártnak tekintjük. Követési információkat keresünk, hogy kipróbáljuk ötleteinket, és meghatározzuk, tartják-e a vizet vagy sem. Bármennyire is hatalmas és fejlett, mint mi a legjobb elméleteink, feltétlenül szembe kell néznünk velük kísérleti vagy megfigyelési adatokkal, vagy pedig egyáltalán nem igazán végezünk tudományt.

A nemrégiben megjelent új kutatás leglátványosabb része az, hogy fantasztikus adatcsomagot tartalmaz. 32 különálló rádiótávcsőből álló, 5 kontinensen elterjedt tömb segítségével és ugyanazon tárgyak egyidejű megfigyelésével a tudósok még soha nem tudták megfigyelni a rádió utánvilágítását. A nagyon hosszú kiindulási interferometria (VLBI) technikájának egy ilyen fényes forrással történő megvalósításával példátlan felbontást értek el.

Öt különálló kontinensen 32 rádiótávcsőből álló sorozatot használtunk az NGC 4993 összeolvadó neutroncsillagok utóhatásainak közvetlen ábrázolására, lehetővé téve a csillagászoknak az interakciós pontból származó strukturált fúvókák feloldását, még akkor is, ha egy fényévnél kevesebb volt. . (PAUL BOVEN)

A felbontásra van szükséged, ha meg akarod határozni egy távoli forrás alakját vagy konfigurációját az Univerzumban. Általában jobb felbontást kap, ha nagyobb távcsövet épít fel, mivel az rajta elhelyezkedő fény hullámhosszának száma meghatározza a megbontható szög méretét.

De a VLBI technika használatával még jobban megteheti, ha a forrás elég fényes. Persze, csak az egyes ételek méretének fénygyűjtő képességét fogja megkapni, de a különféle távcsövek közötti távolság felbontását is megkaphatja. Ezt a technikát használja az Esemény Horizont Teleszkóp a fekete lyuk eseményhorizontjának első képének felépítéséhez, és ez a technika lehetővé tette a csillagászoknak, hogy meghatározzák az alakját, ami ennek a neutron csillag-neutron csillag egyesülésnek az eredménye.

A művész benyomása egy sugárhajtóműről, amely kibomlik a neutroncsillagok összeolvadásakor kibocsátott anyagból. A sugárhajtást a fekete lyuk hozza létre, amelyet egy forró lemez vesz körül, amely az egyesülés után jött létre. (O. SALAFIA, G. GHIRLANDA, NASA / CXC / GSFC / B. WILLIAMS ÉS AL.)

Giancarlo Ghirlanda vezetésével egy óriási 207 napos adatot kombináltak, hogy a csillagászok láthassák, mi jött létre az idő múlásával.

Az eredmény látványos volt: az egyesülés strukturált anyagáramot hozott létre, amely két ütközésgátló vonalon elhaladt az ütközés pontjától. Noha sok tudós azt vélte, hogy lesz valamiféle kókusz alak vagy valami, ami korlátozza a gyártott fúvókákat, az adatok másként jelezték. Ehelyett ez a strukturált sugárhajtógép áthatolt az összefonódás során kibocsátott összes anyagon, és szinte a fénysebességgel tovább gyorsan eljutott a csillagközi térbe. Olyan volt, mintha semmi sem tudná lassítani.

A Földről nézve a második legnagyobb fekete lyuk, az M87 galaxis közepén lévő körülbelül 1000-szer nagyobb, mint a Tejút fekete lyuk, de több mint 2000-szer messze van. A középső magjából kilépő relativista sugárhajtómű az egyik legnagyobb, leginkább kollimált sugárhajtómű. (ESA / HUBBLE ÉS NASA)

Hogyan készíthetsz ilyen jet-et? Csak egy másik forrásból láthattuk őket: az anyagból tápláló fekete lyukakról. Ez kell a nyom, amely megoldja a puzzle-t! Nem az, hogy maga az összefonódás jet-et hozott létre, hanem az, hogy a befejeződött egyesülés egy fekete lyukat hozott létre, és ez a forgó fekete lyuk felgyorsította a körülötte levő anyagot, előállítva a később látott fúvókákat. Elmagyarázza, hogy miért történt a tompítás, majd a fényerő második fordulója, és megmagyarázza a kollimált szerkezetet, valamint a fantasztikusan nagy energiákat és sebességeket. Központi fekete lyuk nélkül nincs ismert módja erre.

Ez talán a régóta várt bizonyíték arra, hogy ezeknek a 2017-ben megfigyelt összeolvadó neutroncsillagoknak fekete lyukat kellett létrehozniuk. Az univerzum jelenlegi megértése alapján nem lehetettünk biztosabbak.

Az egyesülés utolsó pillanataiban a két neutroncsillag nem pusztán gravitációs hullámokat bocsát ki, hanem egy katasztrofális robbanást is, amely visszhangzik az elektromágneses spektrumon. Ezzel egyidejűleg nagy mennyiségű nehéz elemet generál a periódusos rendszer legmagasabb vége felé. Ennek az összefonódásnak a következményeként le kellett helyezkedniük, hogy fekete lyukat képezzenek, amely később kollimált, relativista fúvókákat hozott létre, amelyek áttörték a környező anyagot. (A WARWICK EGYETEM / MARK GARLICK)

A tudományban a legjobb eredmények néha azok, amelyekre nem számítottak. Lehet, hogy arra számíthattunk, hogy a neutroncsillagok összeolvadása mindenkinek a legnehezebb elemeit hozza létre, ám senki sem látott egy strukturált sugárhajtást, amely utólag egy fekete lyukból távozna, mint ami, aminek történnie kell. Mégis itt vagyunk, és megszerezzük az Univerzum ajándékait. Ez a kozmosz emlékeztetője nekünk: a nap, amikor abbahagyjuk a tudományos kutatásainkat, abbahagyjuk a rejtélyek feltárását, amelyek a létünk alapját képezik.

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.