در 16 اکتبر، ستاره شناسان گزارش دادند که در 17 آگوست، برای اولین بار در تاریخ، امواج گرانشی از ادغام دو ستاره های نوترونی. 70 گروه از دانشمندان در مشاهدات شرکت داشتند و 4600 ستاره شناس - بیش از یک سوم تمام ستاره شناسان در جهان - یکی از نویسندگان یکی از مقالات اختصاص داده شده به این رویداد شدند. وب سایت N+1 در مقاله ای طولانی توضیح داد که چرا این یک کشف مهم است و به چه سوالاتی پاسخ می دهد.
در 17 آگوست 2017، در ساعت 15:41:04 به وقت مسکو، آشکارساز رصدخانه LIGO در هانفورد (واشنگتن) یک موج گرانشی طولانی را شنید - سیگنال حدود صد ثانیه طول کشید. این یک دوره زمانی بسیار طولانی است - برای مقایسه، چهار ضبط قبلی امواج گرانشی بیش از سه ثانیه طول نکشیدند. برنامه اعلان خودکار فعال شده است. ستاره شناسان داده ها را بررسی کردند: معلوم شد که آشکارساز دوم LIGO (در لوئیزیانا) نیز موج را شناسایی کرده است، اما ماشه خودکار به دلیل سر و صدای کوتاه مدت کار نمی کند.
1.7 ثانیه دیرتر از آشکارساز هانفورد، سیستم خودکار تلسکوپ‌های فرمی و انتگرال، رصدخانه‌های پرتو گامای کیهانی که برخی از پرانرژی‌ترین رویدادهای کیهان را رصد می‌کنند، مستقل از آن فعال شدند. ابزارها یک فلاش روشن را تشخیص دادند و تقریباً مختصات آن را تعیین کردند. بر خلاف سیگنال گرانشی، فلاش فقط دو ثانیه دوام آورد. جالب توجه است که "اینتگرال" روسی-اروپایی متوجه انفجار پرتو گاما با "دید جانبی" - "کریستال های محافظ" آشکارساز اصلی شد. با این حال، این از مثلث سازی سیگنال جلوگیری نکرد.
حدود یک ساعت بعد، LIGO اطلاعاتی در مورد مختصات احتمالی منبع امواج گرانشی ارسال کرد - این منطقه به لطف این واقعیت که آشکارساز Virgo نیز متوجه سیگنال شد، شناسایی شد. بر اساس تأخیرهایی که آشکارسازها شروع به دریافت سیگنال کردند، مشخص شد که به احتمال زیاد منبع در نیمکره جنوبی بود: سیگنال ابتدا به Virgo رسید و تنها پس از آن، 22 میلی ثانیه بعد، توسط رصدخانه LIGO ثبت شد. مساحت اولیه توصیه شده برای جستجو به 28 درجه مربع رسید که معادل صدها منطقه از ماه است.
گام بعدی ترکیب داده های رصدخانه های پرتو گاما و گرانشی با هم و جستجوی منبع دقیق تابش بود. از آنجایی که نه تلسکوپ های پرتو گاما، و نه به ویژه تلسکوپ های گرانشی، امکان یافتن نقطه مورد نیاز را با دقت زیاد فراهم نمی کردند، فیزیکدانان چندین جستجوی نوری را همزمان آغاز کردند. یکی از آنها با کمک سیستم تلسکوپ روباتیک "MASTER" است که در SAI MSU توسعه یافته است.
رصدخانه جنوبی اروپا رصد kilonovaرصدخانه جنوبی اروپا (ESO)
تلسکوپ متر شیلیایی Swope توانست شعله ی مورد نظر را در میان هزاران کاندید احتمالی - تقریباً 11 ساعت پس از امواج گرانشی - شناسایی کند. ستاره شناسان نقطه نورانی جدیدی را در کهکشان NGC 4993 در صورت فلکی هیدرا کشف کرده اند که درخشندگی آن از قدر 17 تجاوز نکرده است. چنین جسمی برای رصد در تلسکوپ های نیمه حرفه ای کاملاً قابل دسترسی است.
در عرض حدود یک ساعت پس از این، مستقل از Swope، چهار رصدخانه دیگر، از جمله تلسکوپ آرژانتینی شبکه MASTER، منبع را پیدا کردند. پس از این، یک کمپین رصدی در مقیاس بزرگ آغاز شد که تلسکوپ های رصدخانه جنوب اروپا، هابل، چاندرا، آرایه تلسکوپ رادیویی VLA و بسیاری از ابزارهای دیگر به آن ملحق شدند - در مجموع، بیش از 70 گروه از دانشمندان توسعه را مشاهده کردند. مناسبت ها. پس از نه روز، اخترشناسان توانستند تصویری در محدوده اشعه ایکس و پس از 16 روز - در محدوده فرکانس رادیویی به دست آورند. متأسفانه پس از مدتی خورشید به کهکشان نزدیک شد و در ماه سپتامبر رصدها غیرممکن شد.
چنین الگوی انفجار مشخصه ای در بسیاری از محدوده های الکترومغناطیسی مدت ها پیش پیش بینی و توصیف شده بود. این مربوط به برخورد دو ستاره نوترونی - اجرام فوق فشرده متشکل از ماده نوترونی است.
به گفته دانشمندان، جرم ستارگان نوترونی 1.1 و 1.6 جرم خورشیدی بود (جرم کل نسبتاً دقیق تعیین شد - حدود 2.7 جرم خورشید). اولین امواج گرانشی زمانی به وجود آمدند که فاصله بین اجرام 300 کیلومتر بود.
شگفتی بزرگ فاصله کم این سیستم تا زمین - حدود 130 میلیون سال نوری - بود. برای مقایسه، این فاصله تنها 50 برابر فاصله زمین تا سحابی آندرومدا و تقریباً یک مرتبه قدر کمتر از فاصله سیاره ما تا سیاهچاله هایی است که برخوردهای آنها قبلاً توسط LIGO و Virgo ثبت شده بود. علاوه بر این، این برخورد به نزدیکترین منبع انفجار کوتاه پرتو گاما به زمین تبدیل شد.
ستاره های نوترونی دوتایی از سال 1974 شناخته شده اند - یکی از این سیستم ها توسط راسل هالس و جوزف تیلور برندگان جایزه نوبل کشف شد. با این حال، تا به حال، تمام ستاره های نوترونی دوگانه شناخته شده در کهکشان ما بودند و ثبات مدار آنها به اندازه ای بود که در میلیون ها سال آینده با هم برخورد نکنند. جفت ستارگان جدید آنقدر نزدیک شدند که برهم کنش آغاز شد و روند انتقال ماده شروع به توسعه کرد.
برخورد دو ستاره نوترونی انیمیشن ناسا
این رویداد کیلونووا نام داشت. به معنای واقعی کلمه، این بدان معنی است که روشنایی شعله در حدود هزار بار قوی تر از شراره های معمولی نوواها بود - سیستم های دوتایی که در آن یک همراه فشرده ماده را به سمت خود می کشد.
طیف کاملی از داده‌های جمع‌آوری‌شده به دانشمندان این امکان را می‌دهد که این رویداد را سنگ بنای نجوم امواج گرانشی آینده بنامند. بر اساس نتایج پردازش داده ها در طول دو ماه، حدود 30 مقاله در مجلات اصلی نوشته شد: هفت مقاله در مجلات طبیعتو علوم پایه، و همچنین کار در نامه های مجله اخترفیزیکو سایر انتشارات علمی یکی از این مقالات توسط 4600 ستاره شناس از همکاری های مختلف - بیش از یک سوم تمام ستاره شناسان در جهان - تالیف شد.
اینها سوالات کلیدی هستند که دانشمندان برای اولین بار توانسته اند به آنها پاسخ واقعی بدهند.
انفجارهای پرتو گاما برخی از پرانرژی ترین رویدادهای جهان هستند. قدرت یکی از این انفجارها به اندازه ای است که خورشید در 10 میلیون سال در چند ثانیه انرژی تولید می کند. انفجارهای کوتاه و طولانی اشعه گاما وجود دارد. علاوه بر این، اعتقاد بر این است که اینها پدیده هایی هستند که مکانیسم آنها متفاوت است. به عنوان مثال، فروپاشی ستارگان پرجرم منبع انفجارهای طولانی در نظر گرفته می شود.
اعتقاد بر این است که منابع انفجارهای کوتاه پرتو گاما ادغام ستاره های نوترونی است. با این حال، تاکنون هیچ مدرک مستقیمی در این مورد وجود نداشته است. مشاهدات جدید قوی ترین شواهد تا به امروز در مورد وجود این مکانیسم است.
هسته سنتز - همجوشی هسته ها در ستارگان - به دست آوردن طیف عظیمی از عناصر شیمیایی را ممکن می کند. برای هسته های سبک، واکنش های همجوشی با آزاد شدن انرژی ادامه می یابد و به طور کلی از نظر انرژی مطلوب هستند. برای عناصری که جرم آنها نزدیک به جرم آهن است، افزایش انرژی دیگر چندان زیاد نیست. به همین دلیل، تقریباً هیچ عنصری سنگین تر از آهن در ستارگان تشکیل نمی شود - به استثنای انفجارهای ابرنواختر. اما آنها برای توضیح شیوع طلا، لانتانیدها، اورانیوم و سایر عناصر سنگین در جهان کاملاً ناکافی هستند.
در سال 1989، فیزیکدانان پیشنهاد کردند که سنتز r-nucleosynthesis در ادغام ستاره های نوترونی ممکن است مسئول باشد. اطلاعات بیشتر در این مورد را می توانید در وبلاگ مارات موسین اخترفیزیکدان بخوانید. تا به حال، این فرآیند فقط در تئوری شناخته شده بود.
مطالعات طیفی رویداد جدید ردپای واضحی از تولد عناصر سنگین را نشان داد. بنابراین، به لطف طیف‌سنج‌های تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) و هابل، اخترشناسان وجود سزیم، تلوریم، طلا و پلاتین را کشف کردند. همچنین شواهدی مبنی بر تشکیل زنون، ید و آنتیموان وجود دارد. فیزیکدانان تخمین می زنند که این برخورد کل جرمی از عناصر سبک و سنگین معادل 40 برابر جرم مشتری را به بیرون پرتاب کرد. طلا به تنهایی، طبق مدل های نظری، حدود 10 برابر جرم ماه تولید می کند.
سرعت انبساط کیهان را می توان به صورت تجربی با استفاده از "شمع های استاندارد" ویژه تخمین زد. اینها اجسامی هستند که روشنایی مطلق آنها مشخص است، به این معنی که از رابطه بین روشنایی مطلق و ظاهری می توان برای پی بردن به فاصله آنها استفاده کرد. سرعت انبساط در یک فاصله معین از ناظر توسط جابجایی داپلر، به عنوان مثال، خطوط هیدروژن تعیین می شود. نقش "شمع های استاندارد" به عنوان مثال توسط ابرنواخترهای نوع Ia ("انفجارهای" کوتوله های سفید) بازی می شود - اتفاقاً در نمونه آنها بود که انبساط جهان ثابت شد.
رصد ادغام دو ستاره نوترونی از تلسکوپ در رصدخانه پارانال (شیلی) رصدخانه جنوبی اروپا (ESO)
ثابت هابل یک وابستگی خطی از سرعت انبساط کیهان در یک فاصله معین را مشخص می کند. هر تعیین مستقل ارزش آن به ما امکان می دهد اعتبار کیهان شناسی پذیرفته شده را تأیید کنیم.
منابع امواج گرانشی نیز "شمع های استاندارد" (یا همانطور که در مقاله به آنها "آژیر" گفته می شود) هستند. با توجه به ماهیت امواج گرانشی که ایجاد می کنند، می توان به طور مستقل فاصله آنها را تعیین کرد. این دقیقاً همان چیزی است که ستاره شناسان در یکی از کارهای جدید از آن بهره بردند. نتیجه با اندازه‌گیری‌های مستقل دیگر - بر اساس تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی و مشاهدات اجرام با عدسی گرانشی مطابقت داشت. ثابت تقریباً 62-82 کیلومتر در ثانیه در مگاپارسک است. این بدان معناست که دو کهکشان که با فاصله 3.2 میلیون سال نوری از یکدیگر فاصله دارند، به طور متوسط با سرعت 70 کیلومتر در ثانیه دور می شوند. ادغام ستاره های نوترونی جدید به بهبود دقت این تخمین کمک می کند.
امروزه نظریه نسبیت پذیرفته شده به طور دقیق رفتار امواج گرانشی را پیش بینی می کند. با این حال، نظریه کوانتومی گرانش هنوز توسعه نیافته است. چندین فرضیه در مورد چگونگی ساختار آن وجود دارد - اینها طرح های نظری با تعداد زیادی پارامتر ناشناخته هستند. مشاهده همزمان تشعشعات الکترومغناطیسی و امواج گرانشی، شفاف سازی و محدود کردن مرزهای این پارامترها و همچنین کنار گذاشتن برخی فرضیه ها را ممکن می سازد.
به عنوان مثال، این واقعیت که امواج گرانشی 1.7 ثانیه قبل از پرتوهای گاما وارد شدند، تأیید می کند که آنها واقعاً با سرعت نور حرکت می کنند. علاوه بر این، خود تأخیر می تواند برای آزمایش اصل هم ارزی زیربنای نسبیت عام استفاده شود.
ما ساختار ستاره های نوترونی را فقط به صورت کلی می دانیم. آنها پوسته ای از عناصر سنگین و یک هسته نوترونی دارند - اما، برای مثال، ما هنوز معادله حالت ماده نوترونی در هسته را نمی دانیم. و به این بستگی دارد، برای مثال، پاسخ به چنین سؤال ساده ای: دقیقاً در طی برخوردی که ستاره شناسان مشاهده کردند، چه چیزی شکل گرفت؟
تجسم امواج گرانشی از ادغام دو ستاره نوترونی
ستاره‌های نوترونی مانند کوتوله‌های سفید مفهوم جرم بحرانی را دارند که در بالای آن فروپاشی می‌تواند آغاز شود. بسته به اینکه آیا جرم جسم جدید از جرم بحرانی فراتر رفته است یا خیر، چندین سناریو برای توسعه بیشتر رویدادها وجود دارد. اگر جرم کل بیش از حد بزرگ باشد، جسم بلافاصله به یک سیاهچاله فرو می ریزد. اگر جرم کمی کمتر باشد، آنگاه ممکن است یک ستاره نوترونی غیرتعادلی که به سرعت در حال چرخش است، پدید آید، که با این حال، در نهایت به یک سیاهچاله نیز فرو می ریزد. یک گزینه جایگزین، تشکیل یک مگنتار، یک سوراخ نوترونی به سرعت در حال چرخش با یک میدان مغناطیسی عظیم است. ظاهراً یک مگنتار در این برخورد تشکیل نشده است؛ تشعشعات پرتو ایکس سخت همراه آن شناسایی نشده است.
به گفته ولادیمیر لیپانوف، رئیس شبکه MASTER، داده های موجود در حال حاضر برای فهمیدن اینکه دقیقاً چه چیزی در نتیجه ادغام شکل گرفته است کافی نیست. با این حال، ستاره شناسان در حال حاضر تعدادی نظریه دارند که در روزهای آینده منتشر خواهند شد. ممکن است بتوان جرم بحرانی مورد نظر را از ادغام ستاره های نوترونی آینده تعیین کرد.
ولادیمیر کورولف، N+1
امروز، در یک کنفرانس مطبوعاتی در واشنگتن، دانشمندان رسماً ثبت یک رویداد نجومی را اعلام کردند که هیچ‌کس قبلاً آن را ثبت نکرده بود - ادغام دو ستاره نوترونی. بر اساس نتایج مشاهدات، بیش از 30 مقاله علمی در پنج مجله منتشر شد، بنابراین ما نمی توانیم در مورد همه چیز به یکباره صحبت کنیم. در اینجا خلاصه و مهمترین اکتشافات آورده شده است.
ستاره شناسان ادغام دو ستاره نوترونی و تولد یک سیاهچاله جدید را مشاهده کرده اند.
ستاره‌های نوترونی اجرامی هستند که در نتیجه انفجار ستارگان بزرگ و پرجرم (چند برابر سنگین‌تر از خورشید) ظاهر می‌شوند. اندازه آنها کوچک است (قطر آنها معمولاً بیش از 20 کیلومتر نیست) اما چگالی و جرم آنها بسیار زیاد است.
ادغام دو ستاره نوترونی سیاهچاله ای را در فاصله 130 میلیون سال نوری از زمین ایجاد کرد - جرمی حتی بزرگتر و چگالتر از ستاره نوترونی. ادغام ستارگان و تشکیل یک سیاهچاله با آزاد شدن انرژی عظیمی به شکل تابش گرانشی، پرتو گاما و نوری همراه بود. هر سه نوع تابش توسط تلسکوپ های زمینی و مداری ثبت شد. این موج گرانشی توسط رصدخانه های LIGO و VIRGO ثبت شده است.
این موج گرانشی بالاترین موج انرژی بود که تاکنون مشاهده شده است.
انواع تشعشعات در 17 اوت به زمین رسید. اول، تداخل سنج های لیزری زمینی LIGO و Virgo فشرده سازی و انبساط دوره ای فضا-زمان را ثبت کردند - یک موج گرانشی که چندین بار دور کره زمین چرخید. رویدادی که موج گرانشی را ایجاد کرد GRB170817A نام داشت. چند ثانیه بعد، تلسکوپ پرتو گامای فرمی ناسا فوتون های پرانرژی را در محدوده پرتو گاما شناسایی کرد.
در این روز، تلسکوپ‌های بزرگ و کوچک زمینی و مداری که در همه محدوده‌ها کار می‌کنند، به یک نقطه از فضا نگاه کردند.
بر اساس نتایج مشاهدات، دانشگاه کالیفرنیا (برکلی) یک شبیه سازی کامپیوتری از ادغام ستارگان نوترونی انجام داد. ظاهراً هر دو ستاره کمی بزرگتر از خورشید بودند (اما در عین حال از نظر شعاع بسیار کوچکتر). این دو توپ با چگالی باورنکردنی دور یکدیگر می چرخیدند و مدام شتاب می گرفتند. اینطوری پیش رفت:
در نتیجه ادغام ستاره های نوترونی، اتم های عناصر سنگین - طلا، اورانیوم، پلاتین - به فضای بیرونی رها شدند. ستاره شناسان بر این باورند که چنین رویدادهایی منبع اصلی این عناصر در جهان هستند. تلسکوپ های نوری ابتدا نور مرئی آبی و سپس تابش فرابنفش را دیدند که جای خود را به نور قرمز و تابش در محدوده مادون قرمز داد.
این دنباله با پیش بینی های نظری مطابقت دارد. طبق این تئوری، هنگامی که ستارگان نوترونی با هم برخورد می کنند، مقداری از ماده خود را از دست می دهند - با ابر عظیمی از نوترون ها و پروتون ها در اطراف محل برخورد پاشیده می شود. هنگامی که یک سیاهچاله شروع به شکل گیری می کند، یک قرص برافزایشی در اطراف آن تشکیل می شود که در آن ذرات با سرعتی بسیار زیاد می چرخند – آنقدر زیاد که برخی بر گرانش سیاهچاله غلبه کرده و دور می شوند.
این سرنوشت تقریباً 2 درصد از ماده ستارگان در حال برخورد را در انتظار خواهد داشت. این ماده ابری را در اطراف سیاهچاله تشکیل می دهد که قطر آن ده ها هزار کیلومتر است و چگالی آن تقریباً برابر با خورشید است. پروتون ها و نوترون های تشکیل دهنده این ابر به هم می چسبند و هسته های اتمی را تشکیل می دهند. سپس پوسیدگی این هسته ها آغاز می شود. ستاره شناسان روی زمین تابش هسته های در حال پوسیدگی را برای چند روز مشاهده کردند. طی میلیون‌ها سال پس از رویداد GRB170817A، این تابش کل کهکشان را پر کرده است.
نتایج رصد ممکن است در آینده راز ساختار ستارگان نوترونی و تشکیل عناصر سنگین در کیهان را روشن کند.
تصویری هنرمند از امواج گرانشی ایجاد شده از ادغام دو ستاره نوترونی
تصویر: R. Hurt/Caltech-JPL
مسکو. 16 اکتبر. وب سایت N+1 گزارش می دهد که برای اولین بار در تاریخ، دانشمندان امواج گرانشی از ادغام دو ستاره نوترونی - اجرام فوق متراکم با جرمی به اندازه خورشید ما و اندازه مسکو را ثبت کرده اند.
انفجار بعدی اشعه گاما و انفجار کیلونووا توسط حدود 70 رصدخانه زمینی و فضایی مشاهده شد - آنها توانستند روند سنتز عناصر سنگین پیش بینی شده توسط نظریه پردازان از جمله طلا و پلاتین را مشاهده کنند و صحت فرضیه های مربوط به آن را تایید کنند. سرویس مطبوعاتی این همکاری LIGO/Virgo، رصدخانه جنوبی اروپا و رصدخانه لوس کامبرس، ماهیت فوران های مرموز پرتو گاما را گزارش می دهد. نتایج رصد ممکن است معمای ساختار ستارگان نوترونی و تشکیل عناصر سنگین در کیهان را روشن کند.
امواج گرانشی امواجی از ارتعاشات در هندسه فضا-زمان هستند که وجود آنها توسط نظریه نسبیت عام پیش بینی شده بود. همکاری LIGO برای اولین بار کشف قابل اعتماد خود را در فوریه 2016 - 100 سال پس از پیش بینی های اینشتین گزارش کرد.
بر اساس گزارش ها، در صبح روز 17 اوت 2017 (ساعت 8:41 صبح به وقت ساحل شرقی، زمانی که ساعت 3:41 بعد از ظهر در مسکو بود)، سیستم های خودکار روی یکی از دو آشکارساز در رصدخانه امواج گرانشی LIGO ورود یک موج گرانشی از فضا این سیگنال GW170817 نامگذاری شد، پنجمین باری است که امواج گرانشی از زمانی که برای اولین بار در سال 2015 شناسایی شدند، شناسایی شدند. تنها سه روز قبل از آن، رصدخانه LIGO برای اولین بار همراه با پروژه اروپایی ویرجو، یک موج گرانشی را شنید.
با این حال، این بار، تنها دو ثانیه پس از این رویداد گرانشی، تلسکوپ فضایی فرمی درخششی از پرتوهای گاما را در آسمان جنوبی ثبت کرد. تقریباً در همان لحظه، رصدخانه فضایی اروپا و روسیه INTEGRAL این فلش را دید.
سیستم های تجزیه و تحلیل خودکار داده های LIGO به این نتیجه رسیدند که همزمانی این دو رویداد بسیار بعید است. در حین جستجو برای اطلاعات بیشتر، مشخص شد که موج گرانشی توسط دومین آشکارساز LIGO و همچنین رصدخانه گرانشی ویرجوی اروپایی نیز دیده شده است. ستاره شناسان در سراسر جهان در حالت آماده باش قرار گرفتند - بسیاری از رصدخانه ها، از جمله رصدخانه جنوبی اروپا و تلسکوپ فضایی هابل، شروع به شکار منبع امواج گرانشی و انفجار پرتو گاما کردند.
کار آسان نبود - داده های ترکیبی از LIGO/Virgo، Fermi و INTEGRAL امکان ترسیم مساحت 35 درجه مربع را فراهم کرد - این مساحت تقریبی چند صد قرص ماه است. تنها 11 ساعت بعد، تلسکوپ کوچک Swope با آینه ای به طول یک متر که در شیلی واقع شده بود، اولین تصویر از منبع ادعایی را گرفت - مانند ستاره ای بسیار درخشان در کنار کهکشان بیضی شکل NGC 4993 در صورت فلکی هیدرا. طی پنج روز بعد، روشنایی منبع 20 برابر کاهش یافت و رنگ به تدریج از آبی به قرمز تغییر کرد. در تمام این مدت، این جرم توسط تلسکوپ‌های بسیاری در محدوده‌ای از اشعه ایکس تا فروسرخ رصد شد، تا اینکه در ماه سپتامبر کهکشان بسیار نزدیک به خورشید بود و برای رصد غیرقابل دسترس شد.
دانشمندان به این نتیجه رسیدند که منبع شعله در کهکشان NGC 4993 در فاصله حدود 130 میلیون سال نوری از زمین بوده است. این به طرز باورنکردنی نزدیک است؛ تاکنون امواج گرانشی از فواصل میلیاردها سال نوری به ما رسیده است. به لطف این نزدیکی، توانستیم صدای آنها را بشنویم. منبع موج ادغام دو جرم با جرم در محدوده 1.1 تا 1.6 خورشیدی بود - اینها فقط می توانند ستاره های نوترونی باشند.
مکان یابی منبع امواج گرانشی در کهکشان NGC 4993
خود انفجار برای مدت بسیار طولانی "صدا" داشت - حدود 100 ثانیه؛ انفجارهایی به مدت کسری از ثانیه تولید شد. یک جفت ستاره نوترونی حول یک مرکز جرم مشترک می چرخیدند و به تدریج انرژی خود را به شکل امواج گرانشی از دست می دادند و به هم نزدیک می شدند. هنگامی که فاصله بین آنها به 300 کیلومتر کاهش یافت، امواج گرانشی آنقدر قدرتمند شدند که به منطقه حساسیت آشکارسازهای گرانشی LIGO/Virgo بیفتند. ستارگان نوترونی توانستند 1.5 هزار دور به دور یکدیگر بچرخند. هنگامی که دو ستاره نوترونی به یک جسم فشرده (یک ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله) ادغام می شوند، انفجار قدرتمندی از تابش گاما رخ می دهد.
اخترشناسان چنین انفجارهای پرتو گاما را انفجارهای کوتاه پرتو گاما می نامند؛ تلسکوپ های پرتو گاما تقریباً هفته ای یک بار آنها را تشخیص می دهند. انفجار کوتاه پرتو گامای گزارش شده از ادغام ستاره نوترونی 1.7 ثانیه به طول انجامید.
اگر ماهیت انفجارهای طولانی پرتو گاما واضح تر باشد (منبع آنها انفجارهای ابرنواختری هستند)، در این صورت هیچ اتفاق نظری در مورد منابع انفجارهای کوتاه وجود نداشت. این فرضیه وجود داشت که آنها از ادغام ستاره های نوترونی ایجاد می شوند.
اکنون دانشمندان توانسته‌اند این فرضیه را برای اولین بار تأیید کنند، زیرا به لطف امواج گرانشی جرم اجزای ادغام شده را می‌دانیم، که ثابت می‌کند اینها ستاره‌های نوترونی هستند.
"برای دهه ها ما مشکوک بودیم که انفجارهای کوتاه پرتو گاما باعث ادغام ستاره های نوترونی می شود. اکنون، به لطف داده های LIGO و Virgo در مورد این رویداد، ما پاسخ آن را داریم. امواج گرانشی به ما می گویند که اجرام ادغام شده دارای جرم هایی مشابه ستاره های نوترونی هستند. جولی مک‌انری، دانشمند پروژه فرمی در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا، می‌گوید: و یک انفجار پرتو گاما می‌گوید: «بعید است این اجرام سیاهچاله باشند، زیرا برخورد سیاهچالهها نباید تشعشع ایجاد کند».
علاوه بر این، ستاره شناسان برای اولین بار تأیید صریح وجود شعله های کیلونووا (یا "ماکرون") را دریافت کردند که تقریباً 100 بار قوی تر از شعله های نواهای معمولی هستند. نظریه پردازان پیش بینی کردند که کیلونوواها می توانند از ادغام ستاره های نوترونی یا یک ستاره نوترونی و یک سیاهچاله به وجود بیایند.
این فرآیند سنتز عناصر سنگین را بر اساس جذب نوترون‌ها توسط هسته‌ها (فرآیند r) آغاز می‌کند که در نتیجه بسیاری از عناصر سنگین مانند طلا، پلاتین یا اورانیوم در کیهان ظاهر شدند.
به گفته دانشمندان، یک انفجار کیلونوا می تواند مقدار زیادی طلا - تا ده برابر جرم ماه - تولید کند. تاکنون فقط یک بار رویدادی مشاهده شده است که می‌توانست یک انفجار کیلونوا باشد.
اکنون، برای اولین بار، ستاره شناسان توانستند نه تنها تولد یک کیلونوا، بلکه محصولات "کار" آن را نیز مشاهده کنند. طیف های به دست آمده با استفاده از تلسکوپ هابل و VLT (تلسکوپ بسیار بزرگ) وجود سزیم، تلوریم، طلا، پلاتین و سایر عناصر سنگین را نشان می دهد که در طول ادغام ستاره های نوترونی تشکیل شده اند.
N+1 با استناد به داده های موسسه نجوم ایالتی استرنبرگ (SAI) خاطرنشان می کند 11 ساعت پس از برخورد، دمای کیلونوا 8 هزار درجه بود و سرعت انبساط آن به حدود 100 هزار کیلومتر در ثانیه رسید.
ESO گفت که این رصد تقریباً با پیش‌بینی رفتار این دو ستاره نوترونی در طول ادغام کاملاً مطابقت دارد.
"تا کنون، داده هایی که ما به دست آورده ایم با این نظریه مطابقت دارد. این یک پیروزی برای نظریه پردازان است، تاییدی بر واقعیت مطلق رویدادهای ثبت شده توسط رصدخانه های LIGO و Virgo، و یک دستاورد قابل توجه برای ESO، که توانسته است. استفانو کووینو، نویسنده اول یکی از مقاله‌های Nature Astronomy می‌گوید برای به دست آوردن چنین مشاهداتی از یک کیلونووا.
اخترشناسان برخورد ستارگان نوترونی را اینگونه دیدند
دانشمندان هنوز پاسخی به این سؤال ندارند که پس از ادغام ستارگان نوترونی چه چیزی باقی می ماند - این می تواند یک سیاهچاله یا یک ستاره نوترونی جدید باشد، علاوه بر این، کاملاً مشخص نیست که چرا انفجار پرتو گاما به نسبتا ضعیف باشد
دانشمندان روسی به عنوان بخشی از همکاری های LIGO و Virgo برای اولین بار امواج گرانشی را از ادغام دو ستاره نوترونی کشف کردند. این اولین رویداد کیهانی است که هم در امواج گرانشی و هم در امواج الکترومغناطیسی مشاهده شده است. این کشف امروز در کنفرانس های مطبوعاتی در واشنگتن و مسکو ارائه شد. نتایج همچنین در مجله Physical Review Letters منتشر خواهد شد.
دو هفته پس از اعطای جایزه نوبل فیزیک به سه محقق آمریکایی برای کشف امواج گرانشی، LIGO (رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنجی لیزری، ایالات متحده) و Virgo (یک رصدخانه مشابه در ایتالیا) همکاری کردند که برای اولین بار کشف کرده اند. امواج گرانشی زمانی از ادغام دو ستاره نوترون، و این پدیده بر روی تداخل سنج های لیزری که امواج گرانشی را ثبت می کنند، با استفاده از رصدخانه های فضایی (انتگرال، فرمی) و تلسکوپ های زمینی که تشعشعات الکترومغناطیسی را ثبت می کنند، مشاهده شد. در مجموع، این پدیده توسط حدود 70 رصدخانه زمینی و فضایی در سراسر جهان، از جمله شبکه تلسکوپ های روباتیک MASTER (دانشگاه دولتی M.V. Lomonosov مسکو) مشاهده شد.
اولین تشخیص مستقیم امواج گرانشی ناشی از برخورد سیاهچاله ها توسط رصدخانه LIGO حدود دو سال پیش انجام شد. پنجره جدیدی به کیهان باز شد. والری میتروفانوف، استاد دانشکده فیزیک دانشگاه ایالتی مسکو، می‌گوید که امروزه ما می‌بینیم که این کانال جدید برای کسب اطلاعات در ترکیب با نجوم سنتی چه فرصت‌های بی‌سابقه‌ای را برای محققان ایجاد می‌کند.
در 17 آگوست، هر دو آشکارساز LIGO یک سیگنال گرانشی به نام GW170817 را شناسایی کردند. اطلاعات ارائه شده توسط سومین آشکارساز Virgo به طور قابل توجهی مکان یابی رویداد کیهانی را بهبود بخشیده است. تقریباً همزمان (حدود دو ثانیه پس از امواج گرانشی)، تلسکوپ فضایی پرتو گاما فرمی ناسا و آزمایشگاه بین‌المللی اخترفیزیک پرتو گاما INTEGRAL (INTEGRAL) انفجارهای پرتو گاما را شناسایی کردند. در روزهای بعد، تشعشعات الکترومغناطیسی در محدوده های دیگری از جمله اشعه ایکس، فرابنفش، نوری، مادون قرمز و امواج رادیویی ثبت شد.
سیگنال های آشکارسازهای LIGO نشان داد که امواج گرانشی شناسایی شده توسط دو جرم اخترفیزیکی که نسبت به یکدیگر می چرخند و در فاصله نسبتاً نزدیک، حدود 130 میلیون سال نوری، از زمین قرار دارند، ساطع می شوند. مشخص شد که جرم این اجرام کمتر از سیاهچاله های دوتایی است که قبلاً توسط LIGO و Virgo کشف شده بود. جرم آنها بین 1.1 تا 1.6 جرم خورشیدی محاسبه شد که در محدوده جرم ستارگان نوترونی، کوچکترین و متراکم ترین ستارگان قرار می گیرد. شعاع معمولی آنها فقط 10-20 کیلومتر است.
با دریافت مختصات، رصدخانه ها در عرض چند ساعت توانستند جستجوی منطقه ای از آسمان را که ظاهراً رویداد در آنجا رخ داده است، آغاز کنند. یک نقطه درخشان جدید شبیه نوا توسط تلسکوپ های نوری کشف شد. در نهایت، حدود 70 رصدخانه در زمین و در فضا این رویداد را در محدوده‌های طول موج مختلف مشاهده کردند. در روزهای پس از برخورد، تابش الکترومغناطیسی در محدوده اشعه ایکس، فرابنفش، نوری، مادون قرمز و امواج رادیویی ثبت شد.
برای اولین بار، برخلاف ادغام سیاهچاله های «تنها»، یک رویداد «شرکتی» نه تنها توسط آشکارسازهای گرانشی، بلکه توسط تلسکوپ های نوری و نوترینو نیز ثبت شد. استاد دانشکده فیزیک دانشگاه دولتی مسکو به نام M.V. لومونوسوف سرگئی ویاچانین.
نظریه پردازان پیش بینی کردند که ادغام یک "کیلونووا" تولید می کند. این پدیده ای است که در آن مواد باقی مانده از یک برخورد ستاره نوترونی به روشنی می درخشد و از منطقه برخورد بسیار دور به فضا پرتاب می شود. این فرآیندهایی را ایجاد می کند که عناصر سنگینی مانند سرب و طلا را ایجاد می کند. مشاهده درخشش پس از ادغام یک ستاره نوترونی اطلاعات بیشتری در مورد مراحل مختلف ادغام، برهمکنش جسم حاصل با محیطش و فرآیندهایی که سنگین ترین عناصر را در کیهان تولید می کنند، ارائه می دهد.
در طی فرآیند همجوشی، تشکیل عناصر سنگین ثبت شد. بنابراین، حتی می توان در مورد یک کارخانه کهکشانی برای تولید عناصر سنگین از جمله طلا صحبت کرد، زیرا این فلز است که بیشتر از همه زمینیان را مورد توجه قرار می دهد. ویاچانین خاطرنشان کرد: دانشمندان شروع به ارائه مدل هایی می کنند که پارامترهای مشاهده شده این ادغام را توضیح دهد.
همکاری LIGO-Virgo، همراه با ستاره شناسان از 70 رصدخانه، امروز رصد ادغام دو ستاره نوترونی در محدوده گرانشی و الکترومغناطیسی را اعلام کرد: آنها یک انفجار پرتو گاما، و همچنین اشعه ایکس، فرابنفش، مرئی را دیدند. انتشار مادون قرمز و رادیویی
تصویری از برخورد ستاره نوترونی. تابش قطری باریک جریانی از پرتوهای گاما است. ابر درخشان اطراف ستاره ها منبع نور مرئی است که توسط تلسکوپ ها پس از ادغام مشاهده می شود. اعتبار: NSF/LIGO/دانشگاه ایالتی Sonoma/Aurore Simonnet
رصد ترکیبی یک انفجار پرتو گاما، امواج گرانشی و نور مرئی باعث شد که نه تنها منطقه ای در آسمان که در آن رویداد رخ داده است، بلکه کهکشان NGC 4993 که ستارگان به آن تعلق دارند نیز مشخص شود.
تعیین مکان در آسمان با استفاده از آشکارسازهای مختلف
هنگامی که ستارگان نوترونی با هم برخورد می کنند، بیشتر مواد آنها در یک جسم بسیار پرجرم ادغام می شود و یک "گلوله آتش" از پرتوهای گاما ساطع می کند (آن انفجار کوتاه پرتو گاما دو ثانیه پس از امواج گرانشی شناسایی شد). پس از این، به اصطلاح کیلونووا رخ می دهد، زمانی که ماده باقی مانده پس از برخورد ستارگان نوترونی از محل برخورد دور می شود و نور ساطع می کند. مشاهده طیف این تابش باعث شد تا مشخص شود که عناصر سنگینی مانند طلا دقیقاً در نتیجه کیلونووا متولد می شوند. دانشمندان برای هفته‌ها پس از این رویداد، درخشش پسین را مشاهده کردند و داده‌هایی را در مورد فرآیندهای رخ‌داده در ستارگان جمع‌آوری کردند و این اولین مشاهده قابل اعتماد از یک کیلونوا بود.
ستارگان نوترونی اجرام فوق چگالی هستند که پس از انفجار ابرنواختری به وجود آمده اند. فشار در یک ستاره به قدری زیاد است که اتم های منفرد نمی توانند وجود داشته باشند و درون ستاره یک "سوپ" مایع از نوترون ها، پروتون ها و سایر ذرات وجود دارد. برای توصیف یک ستاره نوترونی، دانشمندان از یک معادله حالت استفاده می کنند که فشار و چگالی ماده را به هم مرتبط می کند. بسیاری از معادلات ممکن برای حالت وجود دارد، اما دانشمندان نمی دانند کدام یک صحیح است، بنابراین مشاهدات گرانشی ممکن است به حل این سوال کمک کند. در این مرحله، سیگنال مشاهده شده پاسخ قطعی ارائه نمی دهد، اما به ارائه تخمین های جالبی از شکل ستاره (که به جاذبه گرانشی ستاره دوم بستگی دارد) کمک می کند.
یک کشف جالب این بود که انفجار کوتاه پرتو گامای مشاهده شده نزدیکترین فاصله به زمین است، اما در عین حال برای چنین فاصله ای بسیار کم نور است. دانشمندان چندین توضیح احتمالی را پیشنهاد کرده‌اند: شاید پرتو پرتو گاما از نظر روشنایی ناهموار بود، یا ما فقط لبه آن را دیدیم. در هر صورت، این سؤال مطرح می‌شود: قبلاً، ستاره‌شناسان تصور نمی‌کردند که چنین انفجارهای ضعیفی می‌توانند تا این حد نزدیک باشند، و آیا می‌توانستند همان انفجارهای ضعیف را از دست بدهند یا به اشتباه آنها را دورتر تفسیر کنند؟ مشاهدات ترکیبی در محدوده گرانشی و الکترومغناطیسی ممکن است به ارائه پاسخ کمک کند، اما در این سطح از حساسیت آشکارساز، چنین مشاهداتی بسیار نادر خواهد بود - به طور متوسط 0.1-1.4 در سال.
علاوه بر تشعشعات گرانشی و الکترومغناطیسی، ستارگان نوترونی در طول فرآیند ادغام، جریان‌های نوترینویی ساطع می‌کنند. آشکارسازهای نوترینو نیز برای جستجوی این شارها از این رویداد کار کردند، اما چیزی را شناسایی نکردند. به طور کلی، این نتیجه مورد انتظار بود - همانطور که در مورد انفجار پرتو گاما، رویداد بسیار کم نور است (یا ما آن را در زاویه بالا مشاهده می کنیم) که آشکارسازها نمی توانند آن را ببینند.
برای تخمین کمتر، می توانید از تأخیر زیادی بین انتشار استفاده کنید، و حتی فرض کنید که سیگنال نور ابتدا منتشر شده است، که دقت را به طور متناسب کاهش می دهد. اما حتی در این مورد، تخمین فوق العاده دقیق است.
با استفاده از دانش مشابه در مورد تأخیر بین سیگنال‌ها، می‌توانید دقت تخمین‌ها را برای تغییر ناپذیری لورنتس (تفاوت بین رفتار گرانش و نور تحت تبدیل لورنتس) و اصل هم ارزی را به میزان قابل توجهی افزایش دهید.
دانشمندان ثابت هابل را به روش دیگری اندازه گیری کردند - با مشاهده پارامترهای تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی در تلسکوپ پلانک، و مقدار متفاوتی برای ثابت هابل به دست آوردند که با اندازه گیری های ShoES مطابقت ندارد. این تفاوت برای آماری بودن بیش از حد بزرگ است، اما دلایل اختلاف در برآوردها هنوز مشخص نیست. بنابراین، یک اندازه گیری مستقل ضروری است.
توزیع احتمال ثابت هابل با استفاده از امواج گرانشی (آبی). خط نقطه چین فواصل 1σ و 2σ (68.3% و 95.4%) را نشان می دهد. برای مقایسه، فواصل 1σ و 2σ برای برآوردهای قبلی نشان داده شده است: پلانک (سبز) و SHoES (نارنجی)، که با یکدیگر همگرا نیستند.
در این حالت امواج گرانشی نقش شمع های استاندارد را بازی می کنند (و به آنها آژیر استاندارد می گویند). با مشاهده دامنه سیگنال روی زمین و شبیه سازی دامنه آن در منبع، می توان تخمین زد که چقدر کاهش یافته است و در نتیجه فاصله تا منبع را بدون در نظر گرفتن هر گونه فرضی در مورد ثابت هابل یا اندازه گیری های قبلی، دانست. مشاهده سیگنال نوری به ما این امکان را داد که کهکشانی را که جفت ستاره نوترونی در آن قرار دارد، تعیین کنیم و سرعت حذف این کهکشان از اندازه‌گیری‌های قبلی به خوبی شناخته شده بود. رابطه بین سرعت و فاصله ثابت هابل است. مهم است که چنین تخمینی کاملاً مستقل از برآوردهای قبلی یا مقیاس فاصله کیهانی باشد.
یک اندازه‌گیری برای حل معمای تفاوت‌ها در تخمین‌های Planck و ShoES کافی نبود، اما به طور کلی برآورد در حال حاضر با مقادیر شناخته شده مطابقت دارد. با توجه به اینکه برآوردهای قبلی بر اساس آمارهای جمع آوری شده در طی سالیان متمادی است، این نتیجه بسیار قابل توجهی است.
فقط یکی از آشکارسازهای LIGO سیگنال را در حالت خودکار مشاهده کرد، زیرا در زمان وقوع یک مشکل در آشکارساز لیوینگستون رخ داد. این اصطلاح به انفجار نویز شبیه به بیرون آمدن استاتیک در گیرنده رادیویی اشاره دارد. اگرچه سیگنال موج گرانشی به وضوح برای چشم انسان قابل مشاهده بود، اتوماسیون چنین داده هایی را قطع می کند. بنابراین، لازم بود قبل از استفاده از داده ها توسط آشکارساز، اشکال از سیگنال پاک شود. اشکالات همیشه در آشکارسازها ظاهر می شوند - تقریباً هر چند ساعت یک بار. دانشمندان آنها را بر اساس شکل و مدت طبقه بندی می کنند و از این دانش برای بهبود آشکارسازها استفاده می کنند. می توانید با پروژه GravitySpy به آنها کمک کنید تا این کار را انجام دهند، جایی که کاربران برای کمک به دانشمندان، اشکالات موجود در داده های LIGO را جستجو و طبقه بندی می کنند.
ما امواج گرانشی را از دو جرم فشرده شناسایی کردیم و مشاهده تابش الکترومغناطیسی نشان می دهد که یکی از آنها یک ستاره نوترونی بوده است. اما دومی نیز می تواند یک سیاهچاله با جرم کم باشد، و اگرچه هیچ کس قبلا چنین سیاهچاله هایی را ندیده است، از نظر تئوری می توانند وجود داشته باشند. با رصد GW170817 نمی توان با اطمینان مشخص کرد که آیا این برخورد دو ستاره نوترونی بوده است، اگرچه احتمال آن بیشتر است.
نکته جالب دوم: این شی پس از ادغام چه شد؟ این می تواند به یک ستاره نوترونی بسیار پرجرم (پرجرم ترین ستاره شناخته شده) یا سبک ترین سیاهچاله شناخته شده تبدیل شود. متأسفانه، داده های مشاهده ای کافی برای پاسخ به این سوال وجود ندارد.
این کشف بار دیگر نشان می دهد که کار مشترک بسیاری از همکاری های هزاران نفر در فیزیک مدرن چقدر مهم است.
