Het LIGO-observatorium, waarvan de makers de Nobelprijs 2017 ontvingen, heeft de wereld van de astronomie al veranderd. Toen wetenschappers van de internationale wetenschappelijke gemeenschap LIGO in 2016 de eerste zwaartekrachtgolven ontdekten, ontdekten ze een nieuwe manier om het universum te observeren. Voor het eerst konden wetenschappers "luisteren" naar de fluctuaties in ruimte-tijd die voortvloeien uit de botsing van grote objecten (bijvoorbeeld zwarte gaten).
Maar dat was pas het begin. Het doel was om de waarneming van zwaartekrachtgolven te combineren met gegevens van meer conventionele telescopen.
In oktober 2017 publiceerde een team van LIGO-wetenschappers, waaronder enkele duizenden mensen over de hele wereld, in Physical Review Letters een serie artikelen over de ongelooflijke ontdekking. De onderzoekers waren niet alleen in staat om zwaartekrachtgolven van de botsing van twee neutronensterren te detecteren, maar ook om hun coördinaten aan de hemel te bepalen, en om het fenomeen te observeren met optische en elektromagnetische telescopen.
"Dit is een van de meest complete verhalen over een astrofysisch fenomeen dat je je kunt voorstellen", zegt natuurkundige Peter Solson van Syracuse University en een lid van de LIGO-gemeenschap.
Elke bron vertelt zijn eigen deel van het verhaal
Zwaartekrachtgolven vertellen natuurkundigen de grootte en afstand van objecten, waardoor ze het moment kunnen recreëren voordat ze botsen. Waarnemingen van zichtbare straling en elektromagnetische golven vullen dan de hiaten op die gravitatiegolven niet kunnen verklaren. Ze helpen astronomen erachter te komen waarvan de objecten zijn gemaakt en welke chemische elementen van de botsing afkomstig zijn. In ons geval konden wetenschappers concluderen dat de explosie tijdens de fusie van neutronensterren leidde tot het verschijnen van zware elementen - goud, platina en uranium (wat voorheen alleen werd aangenomen, maar niet kon worden bevestigd door directe observatie).
Nu zijn wetenschappers erin geslaagd om met eigen ogen de alchemie van het universum in actie te zien. "Ik denk dat de impact van deze ontdekking op de wetenschap groter zal zijn dan de eerste detectie van zwarte gaten door middel van zwaartekrachtgolven", zei Duncan Brown, een andere wetenschapper uit de LIGO-gemeenschap en de Syracuse University. "Veel aspecten van natuurkunde en astronomie zijn hierbij betrokken." En dit alles is het resultaat van een speurtocht tussen de sterren, waarbij de hele wereld betrokken is.
Promotie video:
Race tegen de klok. Plaats gemarkeerd met een kruis
Op 17 augustus om 8.41 uur detecteerde LIGO zwaartekrachtgolven - de kromming van tijd en ruimte - die door de aarde gingen. LIGO zijn twee L-vormige observatoria in de Amerikaanse staten Louisiana en Washington, die golven kunnen registreren die het ruimte-tijd continuüm samendrukken en uitrekken.
De afgelopen twee jaar heeft LIGO zwaartekrachtgolven kunnen detecteren die worden gegenereerd door botsende zwarte gaten. Maar het signaal op 17 augustus was heel anders. Het bleek veel sterker te zijn dan wat werd geregistreerd toen het zwarte gat werd ontdekt. Het nieuwe signaal duurde 100 seconden, terwijl de signalen van zwarte gaten slechts enkele. Dit betekende dat de botsing veel dichter bij de aarde plaatsvond.
Wanneer LIGO zwaartekrachtgolven detecteert, stuurt het automatisch meldingen naar honderden wetenschappers over de hele wereld. Duncan Brown is een van hen. “We kregen heel snel een telefonische waarschuwing en realiseerden ons dat dit een onverwacht sterk signaal van zwaartekrachtgolven was. Het heeft ons geschokt”, herinnert hij zich.
Het werd meteen duidelijk dat dit geen fusie van zwarte gaten was. Eerste analyse toonde aan dat de golven afkomstig waren van de botsing van twee neutronensterren - objecten met een zeer hoge dichtheid. Er wordt aangenomen dat er zware chemische elementen in worden gevormd.
Wanneer LIGO zwaartekrachtgolven detecteert van botsende zwarte gaten, is er niets zichtbaar aan de lucht: zwarte gaten zijn, zoals hun naam al aangeeft, donker. Hoe zit het met een botsing van twee neutronensterren? Het spektakel zou als een kleurrijk vuurwerk moeten zijn.
Sarah Wilkinson / Las Campanas-observatorium
En zo gebeurde het: twee seconden na het LIGO-signaal detecteerde NASA's Fermi-ruimtetelescoop een gammastraaluitbarsting - een van de krachtigste uitbarstingen van explosieve energie in het universum die we kennen. Astronomen hebben lange tijd theorieën ontwikkeld dat de versmelting van neutronensterren gammaflitsen kan veroorzaken. En nu kon het geen toeval zijn.
Tegelijkertijd wordt het licht van zo'n explosieve fusie snel gedimd. Het tellen duurde minuten en wetenschappers van de internationale wetenschappelijke gemeenschap LIGO moesten zich haasten. "Hoe sneller je bij de telescoop komt, hoe meer informatie je krijgt", zegt Brown. Door het bestuderen van licht en hoe het verandert, kunnen wetenschappers een schat aan informatie verzamelen die hen zal helpen neutronensterren beter te begrijpen en hoe ze veranderende materie samenvoegen.
Brown en zijn collega's gingen aan de slag en organiseerden teleconferenties met tientallen wetenschappers over de hele wereld. Het LIGO-team werkte samen met partners van VIRGO, een Italiaans observatorium voor zwaartekrachtgolven, om met dubbele inspanning de lucht in kaart te brengen en de bron van de zwaartekrachtgolven te lokaliseren. Ze beperkten hun zoektocht tot een gebied ter grootte van een vuist op armlengte afstand. (Vanuit astronomisch oogpunt is zelfs dit gebied een enorme ruimte. Een gebied van een kaart met een luciferkop op armlengte kan duizenden sterrenstelsels bevatten.) De VIRGO-detector in Italië nam het signaal niet op, wat hielp bij het bepalen van de positie van de sterren. VIRGO heeft zones zonder ontvangst, daarom hadden de neutronensterren zich in de buurt van een van hen moeten bevinden.
Deze hemelkaart is het resultaat van een combinatie van informatie van Fermi, LIGO, VIRGO en Integral (een ander observatorium voor gammastraling). Elke detector bood een gebied waarin een signaal kon optreden. Waar ze elkaar overlapten, werd de plaats aangegeven met een kruis op de kaart van kosmische schatten.
Met de kaart in de hand stuurde het LIGO-team e-mails naar astronomen over de hele wereld die dit deel van de hemel bij het vallen van de avond konden verkennen.
En het geluk ging hen niet voorbij! Verschillende observatoria op de grond waren in staat om de positie van de kilon (of macron) te detecteren - een explosie door de botsing van twee neutronensterren. De foto links laat zien wat de astronomen op de openingsavond vastlegden. Rechts ziet u hoe het er een paar dagen later uitzag. De explosie werd merkbaar minder.
1M2H / UC Santa Cruz en Carnegie Observatory / Ryan Foley
Zo zag het sterrenstelsel er een paar weken voor de vorming van de kilonova uit (bovenste afbeelding). De onderste afbeelding toont een explosie.
De Dark Energy Camera GW-EM Collaboration en de DES / Berger Collaboration
Afbeeldingen lijken misschien wazig, maar er staat een hoop informatie over. Met precieze coördinaten kunnen wetenschappers de Hubble Space Telescope en het Chandra Space X-ray Observatory afstemmen om een kilonova te laten exploderen. Met behulp van deze tools zullen astronomen met één oog naar het proces van het heelal kunnen kijken.
Hoe botsende neutronensterren goud creëren
Neutronensterren zijn ongebruikelijke kosmische lichamen. Ze worden gevormd als gevolg van de ineenstorting van sterren door de zwaartekracht (bijvoorbeeld tijdens supernova-explosies) en hebben een zeer hoge dichtheid. Stel je een object voor met een massa zoals de zon, maar met een diameter van slechts 25 kilometer. Dit is 333.000 massa van de hele aarde, samengeperst tot een bal ter grootte van het centrale district van Moskou. De druk binnenin is zo groot dat er alleen neutronen (protonen versmolten met elektronen) kunnen bestaan.
In een melkwegstelsel op 130 miljoen lichtjaar afstand "dansten" twee van dergelijke objecten om elkaar heen, bewogen zich in een baan om de aarde en kwamen steeds dichterbij. Ze kwamen met elkaar in botsing en de vrijgekomen energie door het heelal stuurde een golf die tijd en ruimte vervormt, en een stroom deeltjes (een gammastraaluitbarsting die samen met zwaartekrachtgolven wordt gedetecteerd). Zowel zwaartekrachtgolven als gammastralen reisden met de snelheid van het licht. Dit is weer een bewijs van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Het is mogelijk dat de neutronensterren na de fusie een nieuw zwart gat hebben gevormd, aangezien ze voldoende massa hadden. Er is echter nog niet genoeg informatie voor een eenduidige verklaring.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Maar één ding kan al zeker worden gezegd: na de explosie combineerden veel van de overgebleven neutronen zich en vormden ze chemische elementen.
Wij allemaal en elk element op aarde zijn gemaakt van sterren. Als resultaat van de oerknal in het begin der tijden werden er zeer lichte elementen gevormd - waterstof en helium. Deze elementen combineerden zich tot sterren, waarbinnen tijdens fusiereacties elementen met steeds grotere massa verschenen.
Toen sterren supernova werden (ineenstorting en daaropvolgende explosie), werden zelfs zwaardere elementen gecreëerd. Volgens Brown is het verschijnen van goud en platina echter al lang een mysterie. Zelfs supernova-explosies zijn niet krachtig genoeg om ze te creëren.
Er zijn theorieën dat een kilonster (gevormd door de fusie van twee neutronensterren) in staat is om deze metalen te produceren. En aangezien de astronomen in staat waren om tijdig de plaats te bepalen waar de fusie plaatsvond, bevestigden ze deze theorie. De kleur en kwaliteit van het licht dat na de explosie achterbleef, bevestigde de vorming van goud en platina. Wetenschappers leken alchemie in actie te hebben gezien.
"Goud op aarde is ooit ontstaan na een nucleaire explosie door een fusie [van neutronensterren]", legt Brown uit. - Nu heb ik een platina trouwring om mijn vinger. Denk maar aan, het verscheen als gevolg van de botsing van neutronensterren!"
Een nieuw tijdperk in de astronomie komt eraan
De beschreven ontdekking markeert het begin van een nieuw tijdperk in de astronomie. Wetenschappers zullen hemellichamen niet alleen kunnen bestuderen met behulp van licht en straling die ze uitzenden, maar deze waarnemingen ook kunnen combineren met informatie die is verkregen uit de analyse van zwaartekrachtgolven. Deze informatie bevat hoe de twee neutronensterren om elkaar heen bewogen toen de botsing plaatsvond, evenals een enorme hoeveelheid informatie over de gevolgen ervan.
Aan de rechterkant - visualisatie van de substantie van neutronensterren. Aan de linkerkant - vervorming van ruimte-tijd nabij explosies. Karan Janey / Georgia Institute of Technology
De combinatie van alle informatiebronnen wordt meerkanaals astronomie genoemd, dat wil zeggen astronomie gebaseerd op de toevoeging van waarnemingen van het elektromagnetische spectrum met waarnemingen van zwaartekrachtgolven. Dit is de droom van LIGO-wetenschappers sinds de oprichting van het observatorium.
"Stel je voor dat je in een kamer zonder ramen woont en het enige wat je kunt doen is donder horen maar geen bliksem zien", legt Vicki Kalogera uit, een astrofysicus aan de Northwestern University en lid van de LIGO-gemeenschap. - Stel je nu voor dat je naar een kamer met een raam bent verplaatst. Voortaan hoor je niet alleen onweer, maar zie je ook bliksem. Bliksem biedt een compleet nieuwe mogelijkheid om onweersbuien te bestuderen en te begrijpen wat er werkelijk gebeurt."
Zwaartekrachtgolven zijn donder. Explosies observeren door een telescoop - bliksem.
Nog maar een maand geleden ontvingen de drie oprichters van LIGO de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun pionierswerk. Zoals Ed Young van The Atlantic opmerkte, schept de toekenning van de prijs aan drie van de honderden die een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan het LIGO-project een lastige en controversiële situatie. Uit recente resultaten blijkt echter dat de prijs voor wetenschappelijk werk welverdiend was.
Het beste van het observeren van zwaartekrachtgolven is dat het proces passief is. LIGO en MAAGD zullen op dezelfde dag alle zwaartekrachtgolven "horen" die langs de aarde passeren. Elk signaal markeert het begin van een nieuwe zoektocht naar "schatten", omdat wetenschappers moeten begrijpen waardoor de fluctuaties in ruimte-tijd ontstaan.
Astronomen hopen meer fusies van zowel zwarte gaten als neutronensterren te zien. Maar er kunnen nog meer interessante verschijnselen worden ontdekt. Als de LIGO- en VIRGO-observatoria blijven verbeteren, bestaat de kans dat het mogelijk zal zijn om zwaartekrachtgolven die overblijven na de oerknal te detecteren. Of, nog opwindender, deze observatoria zullen bronnen van zwaartekrachtgolven kunnen detecteren die voorheen onbekend waren en niet konden voorspellen.
"Ik was verdrietig dat ik ben geboren na de eerste bemande landing op de maan", zegt Thomas Corbitt, natuurkundige en lid van de LIGO-gemeenschap aan de Louisina State University. - Maar als je getuige wordt van gebeurtenissen als deze, die dienen als bewijs van het grote succes van gezamenlijke activiteiten, verschijnt er inspiratie. Ze geven ons meer kennis over het heelal."
Het originele artikel in het Engels is hier beschikbaar.
