Wetenschappers hebben voor het eerst in de geschiedenis zwaartekrachtgolven geregistreerd door de fusie van twee neutronensterren - superdense objecten met een massa van onze zon en de grootte van Moskou. De resulterende gammastraaluitbarsting en kilonova-uitbarsting werden waargenomen door ongeveer 70 observatoria op de grond en in de ruimte - ze waren in staat om het proces van synthese van zware elementen, waaronder goud en platina, voorspeld door theoretici, te zien, en om de juistheid van hypothesen over de aard van mysterieuze korte gammastraaluitbarstingen te bevestigen, meldde de persdienst van de samenwerking. LIGO / Virgo, European Southern Observatory en Los Cumbres Observatory. Observatieresultaten kunnen licht werpen op het mysterie van de structuur van neutronensterren en de vorming van zware elementen in het heelal.
Op de ochtend van 17 augustus 2017 (om 8.41 uur Amerikaanse oostkusttijd, toen het 15:41 was in Moskou) registreerden automatische systemen op een van de twee detectoren van het LIGO-observatorium voor zwaartekrachtgolven de aankomst van een zwaartekrachtgolf uit de ruimte. Het signaal kreeg de aanduiding GW170817, dit was het vijfde geval van het fixeren van zwaartekrachtgolven sinds 2015, sinds ze voor het eerst werden geregistreerd. Slechts drie dagen eerder "hoorde" het LIGO-observatorium voor het eerst een zwaartekrachtgolf samen met het Europese project Virgo.
Deze keer, slechts twee seconden na de zwaartekracht, detecteerde de Fermi-ruimtetelescoop echter een gammaflits aan de zuidelijke hemel. Bijna op hetzelfde moment zag het Europees-Russische ruimteobservatorium INTEGRAL de uitbraak.
De automatische gegevensanalysesystemen van het LIGO-observatorium concludeerden dat het samenvallen van deze twee gebeurtenissen uiterst onwaarschijnlijk is. Tijdens het zoeken naar aanvullende informatie werd ontdekt dat de zwaartekrachtgolf werd waargenomen door de tweede LIGO-detector, evenals door het Europese zwaartekrachtobservatorium Virgo. Astronomen over de hele wereld werden gewaarschuwd voor de jacht op de bron van zwaartekrachtgolven en gammastraaluitbarstingen, en veel observatoria, waaronder de European Southern Observatory en de Hubble Space Telescope, begonnen.
De helderheid en kleur van de kilonova veranderen na de explosie.
De taak was niet eenvoudig - de gecombineerde gegevens van LIGO / Virgo, Fermi en INTEGRAL maakten het mogelijk om een gebied van 35 vierkante graden af te bakenen - dit is een geschatte oppervlakte van enkele honderden maanschijven. Slechts 11 uur later maakte de kleine Swope-telescoop met een meterspiegel in Chili de eerste foto van de vermeende bron - deze zag eruit als een zeer heldere ster naast het elliptische sterrenstelsel NGC 4993 in het sterrenbeeld Hydra. Gedurende de volgende vijf dagen nam de helderheid van de bron 20 keer af en veranderde de kleur geleidelijk van blauw naar rood. Al die tijd werd het object door veel telescopen waargenomen in reeksen van röntgenstraling tot infrarood, totdat het sterrenstelsel in september te dicht bij de zon stond en onbereikbaar werd voor observatie.
Wetenschappers concludeerden dat de bron van de uitbraak zich in het sterrenstelsel NGC 4993 bevond op een afstand van ongeveer 130 miljoen lichtjaar van de aarde. Het is ongelooflijk dichtbij, tot nu toe kwamen zwaartekrachtgolven naar ons toe vanaf afstanden van miljarden lichtjaren. Dankzij deze nabijheid konden we ze horen. De bron van de golf was de samensmelting van twee objecten met massa's in het bereik van 1,1 tot 1,6 zonsmassa's - dit konden alleen neutronensterren zijn.
Foto van de bron van zwaartekrachtgolven - NGC 4993, met een flits in het midden.
Promotie video:
De burst zelf "klonk" heel lang - ongeveer 100 seconden, het samensmelten van zwarte gaten gaf bursts die een fractie van een seconde duurden. Een paar neutronensterren draaide rond een gemeenschappelijk massamiddelpunt, waarbij ze geleidelijk energie verloren in de vorm van zwaartekrachtgolven en convergeren. Toen de afstand tussen hen werd teruggebracht tot 300 kilometer, werden de zwaartekrachtgolven krachtig genoeg om de gevoeligheidszone van de LIGO / Virgo-zwaartekrachtdetectoren te raken. Wanneer twee neutronensterren samensmelten tot één compact object (neutronenster of zwart gat), treedt een krachtige uitbarsting van gammastraling op.
Astronomen noemen zulke gammastraaluitbarstingen korte gammastraaluitbarstingen; gammastralingstelescopen nemen ze ongeveer één keer per week op. Als de aard van lange GRB's begrijpelijker is (hun bronnen zijn supernova-explosies), was er geen consensus over de bronnen van korte bursts. Er was een hypothese dat ze worden gegenereerd door versmeltingen van neutronensterren.
Nu konden wetenschappers deze hypothese voor het eerst bevestigen, omdat we dankzij zwaartekrachtgolven de massa van de samengevoegde componenten kennen, wat bewijst dat dit precies neutronensterren zijn.
“We vermoeden al decennia lang dat korte GRB's fusies van neutronensterren veroorzaken. Nu, dankzij gegevens van LIGO en Virgo over dit evenement, hebben we een antwoord. Zwaartekrachtgolven vertellen ons dat de samengevoegde objecten massa's hadden die overeenkomen met neutronensterren, en de gammastraaluitbarsting vertelt ons dat deze objecten nauwelijks zwarte gaten kunnen zijn, aangezien de botsing van zwarte gaten geen straling mag genereren,”zegt Julie McEnery, projectmedewerker bij Fermi Center. ruimtevlucht NASA genaamd Goddard.
Bovendien hebben astronomen voor het eerst ondubbelzinnige bevestiging ontvangen van het bestaan van kilon (of "macron") fakkels, die ongeveer 1000 keer krachtiger zijn dan conventionele novavlammen. Theoretici voorspelden dat kilonovs zouden kunnen ontstaan door het samengaan van neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat.
Dit brengt de synthese van zware elementen op gang, gebaseerd op het vangen van neutronen door kernen (r-proces), waardoor veel van de zware elementen, zoals goud, platina of uranium, in het heelal verschenen.
Volgens wetenschappers kan met één explosie van een kilonova een enorme hoeveelheid goud ontstaan - tot tien keer de massa van de maan. Tot nu toe is er maar één gebeurtenis waargenomen die een kilonova-explosie zou kunnen zijn.
Nu konden astronomen voor het eerst niet alleen de geboorte van de kilonova waarnemen, maar ook de producten van zijn "werk". Spectra verkregen met de Hubble- en VLT-telescopen (Very Large Telescope) toonden de aanwezigheid van cesium, tellurium, goud, platina en andere zware elementen gevormd door samensmeltende neutronensterren.
“Tot nu toe zijn de gegevens die we hebben ontvangen uitstekend in overeenstemming met de theorie. Het is een triomf voor theoretici, een bevestiging van de absolute realiteit van de gebeurtenissen die zijn opgetekend door de LIGO- en VIrgo-observatoria, en een opmerkelijke prestatie voor ESO om dergelijke waarnemingen van de kilonova te verkrijgen”, zegt Stefano Covino, de eerste auteur van een artikel in Nature Astronomy.
Wetenschappers hebben nog geen antwoord op de vraag wat er overblijft na de fusie van neutronensterren - het kan een zwart gat zijn of een nieuwe neutronenster, bovendien is het niet helemaal duidelijk waarom de gammastraaluitbarsting relatief zwak was.
Zwaartekrachtgolven zijn trillingsgolven van de geometrie van ruimte-tijd, waarvan het bestaan werd voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Voor de eerste keer kondigde de LIGO-samenwerking hun betrouwbare detectie aan in februari 2016 - 100 jaar na de voorspellingen van Einstein.
Alexander Voytyuk
