Gravitationswellen sind das wichtigste Werkzeug für Astronomen geworden. Sie werden bereits verwendet, um zu bestätigen, dass große Schwarze Löcher (BHs) - mit einer zehn- oder mehrfachen Masse der Sonne - und die Fusionen dieser großen BHs, die noch größere BHs bilden, im Universum nicht so selten sind. Im Oktober 2017 machte dieses Tool
einen Sprung nach vorne .
Es ist seit langem bekannt, dass Neutronensterne (NS), die kollabierten Überreste von Sternen, die explodierten und zu Supernovae wurden, im Universum häufig vorkommen. Und fast genauso viel ist bekannt, dass Neuseeland manchmal paarweise geht. (So wurden Gravitationswellen erstmals in den 1970er Jahren indirekt entdeckt). Sterne bilden oft Paare, und manchmal explodieren beide Sterne und werden zu Supernovae, und ihre Überreste in Form von NS drehen sich umeinander. Nach Einsteins Relativitätstheorie sollte ein Sternpaar allmählich Energie verlieren, indem es Gravitationswellen in den Weltraum emittiert, und langsam, aber sicher sollten diese beiden Objekte spiralförmig aufeinander fallen. Infolgedessen kollidieren sie nach Millionen oder sogar Milliarden von Jahren und verschmelzen zu einem größeren NZ oder BH. Infolge dieser Kollision treten zwei Ereignisse auf.
- Es entsteht ein sehr heller Lichtblitz - elektromagnetische Wellen - deren Details wir nur erraten können. Einige dieser Wellen sind sichtbares Licht und die meisten von ihnen sind unsichtbar, beispielsweise Gammastrahlung.
- Gravitationswellen entstehen, deren Details einfacher zu berechnen sind, aufgrund derer sie unterschieden werden können, aber erst erkannt werden konnten, als LIGO und VIRGO mit der Datenerfassung begannen: LIGO in den letzten Jahren und VIRGO in den letzten Monaten.
Es ist möglich, dass wir bereits das Licht der Fusion der beiden NS gesehen haben, aber niemand kann sich dessen sicher sein. Wäre es nicht schön, wenn wir Gravitationswellen UND elektromagnetische Wellen sehen könnten, die aus der Fusion von NS hervorgehen? Es ist, als ob Sie ein Feuerwerk sehen und eine Explosion hören - gleichzeitig zu sehen und zu hören ist besser als separat, jedes der Signale verdeutlicht das andere. (Warnung: Wissenschaftler sagen oft, dass die Erkennung von Gravitationswellen wie ein Gerücht ist. Dies ist nur eine Analogie und sehr weit entfernt. Sie sind aus vielen Gründen überhaupt nicht wie die Schallwellen, die wir mit unseren Ohren hören - daher müssen Sie die Analogie nicht wörtlich nehmen.) Wenn wir dies und das tun können, können wir auf völlig neue Weise neues Wissen über NS und ihre Eigenschaften gewinnen.
Und wir haben endlich herausgefunden, dass dies passiert ist. LIGO entdeckte mit den ersten beiden Gravitationsobservatorien am 17. August 2017 Wellen von zwei verschmelzenden NS, die sich 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befinden. (Die Fusion von NS dauert viel länger als die Fusion von BH, daher sind sie leicht zu unterscheiden. Insbesondere erfolgte diese Fusion so (relativ) eng, dass sie lange beobachtet werden konnte.) Mit einem dritten Detektor von VIRGO konnten Wissenschaftler den Ort der Fusion triangulieren und grob bestimmen. Sie erhielten ein sehr schwaches Signal, das sich jedoch als äußerst wichtig herausstellte, da er Wissenschaftler darüber informierte, dass die Fusion in einer kleinen Region des Himmels stattfand, in der VIRGO einen blinden Fleck hat. Und das ließ Wissenschaftler verstehen, wo sie suchen müssen.
Die Fusion wurde länger als eine Minute beobachtet - sie kann mit BH verglichen werden, dessen Fusion in weniger als einer Sekunde erfolgt. Aber es ist immer noch nicht ganz klar, was am Ende passiert ist! Haben fusionierte NS eine andere NS oder BH gebildet? Es ist noch nicht klar.
Fast genau zu dem Zeitpunkt, als die Gravitationswellen ein Maximum erreichten, zeichnete ein anderes Wissenschaftlerteam aus dem FERMI-Projekt einen Blitz von Gammastrahlen auf - hochfrequente elektromagnetische Wellen. FERMI beobachtet täglich Gammastrahlung, die von den anderen Enden des Universums kommt, und ein zwei Sekunden langer Gammastrahlenausbruch war nicht ungewöhnlich. Es wurde durch ein anderes Experiment mit Gammastrahlen, INTEGRAL, entdeckt. Die Teams tauschten innerhalb weniger Minuten Informationen aus. FERMI- und INTEGRAL-Gammastrahlendetektoren können den Bereich des Himmels, von dem diese Gammastrahlen stammen, ziemlich grob bestimmen, und LIGO / VIRGO ergeben zusammen nur eine ungefähre Fläche. Wissenschaftler sahen jedoch die Überschneidung dieser Standorte, und die Beweise waren unbestreitbar. Die Astronomie trat also in eine neue, lang erwartete Phase ein.
Nur das an sich war schon eine große Entdeckung. Kurze Gammastrahlenblitze beschäftigen Wissenschaftler seit Jahren. Eine der besten Vermutungen über ihre Herkunft war die Annahme der Fusion von Neuseeland. Jetzt ist das Rätsel gelöst - diese Annahme ist offensichtlich gerechtfertigt. (Was ist, wenn nicht? Die erkannten Gammastrahlen waren unerwartet schwach, sodass noch Fragen offen sind.)
Auch die Tatsache, dass diese Signale mit einem Abstand von ein paar Sekunden voneinander kamen, nachdem sie dieselbe Quelle verlassen hatten und einen Weg zurückgelegt hatten, der mehr als 100 Millionen Jahre dauerte, bestätigt, dass die Lichtgeschwindigkeit und die Gravitationsgeschwindigkeit Die Wellen sind gleich - und beide entsprechen der kosmischen Geschwindigkeitsgrenze, genau gemäß den Vorhersagen von Einsteins Gravitationstheorie.
Dann informierten diese Teams ihre Mitastronomen schnell über die Notwendigkeit, ihre Teleskope auf den Bereich zu richten, in dem sich die Quelle befinden sollte. Dutzende von Teleskopen aus der ganzen Welt und aus dem Weltraum suchten nach elektromagnetischen Wellen mit einer breiten Frequenzverteilung, die ungefähr in die richtige Richtung gerichtet waren, und suchten den Himmel auf der Suche nach etwas Ungewöhnlichem ab. (Eines der Probleme war, dass sich das gewünschte Objekt in der Nähe der Sonne am Himmel befand, sodass es nur im Dunkeln und jede Nacht nur eine Stunde lang gesehen werden konnte.) Und Licht wurde entdeckt! Bei allen Frequenzen! Das Objekt erwies sich als sehr hell, was es sehr einfach machte, die Galaxie zu finden, in der die Fusion stattfand. Helles Licht war in Gammastrahlen, ultraviolettem Licht, Infrarotlicht, Röntgenstrahlung und Funkbereich sichtbar. (Diesmal wurden Neutrinos, Partikel, die als weitere Methode zur Beobachtung entfernter Explosionen verwendet werden können, nicht nachgewiesen.)
Und mit so vielen Informationen können Sie so viel herausfinden!
Das Wichtigste ist wahrscheinlich Folgendes: Aus den im Lichtspektrum vorhandenen Gesetzen geht hervor, dass Neutronensternfusionen wichtig sind, möglicherweise die Hauptursachen für das Auftreten vieler schwerer chemischer Elemente - Jod, Iridium, Cäsium, Gold, Platin usw. - bei hohen Temperaturen bei solchen Kollisionen entstehen. Als wahrscheinlichste Quelle wurden dieselben Supernovae angesehen, die NS bilden. Aber jetzt stellte sich anscheinend heraus, dass die zweite Phase im Leben Neuseelands - Verschmelzung, nicht Geburt - genauso wichtig ist. Dies ist erstaunlich, da NS-Fusionen viel seltener sind als Supernova-Explosionen. In unserer Galaxie flammt die Supernova der Milchstraße etwa alle hundert Jahre auf, aber zwischen dem Auftreten solcher „Kilon“ bei NS-Fusionen vergehen zehn Jahrtausende.
Wenn etwas in dieser Nachricht enttäuschend ist, ist es dies: Fast alles, was in diesen Experimenten beobachtet wurde, wurde im Voraus vorhergesagt. Manchmal ist es wichtiger und nützlicher, wenn Ihre Vorhersagen nicht gerechtfertigt sind, weil Sie dann verstehen, wie viel Sie noch herausfinden müssen. Offensichtlich ist unser Verständnis der Schwerkraft, der NS, ihrer Fusionen und aller Arten elektromagnetischer Strahlungsquellen, die bei diesen Fusionen entstehen, viel besser als Sie vielleicht denken. Aber zum Glück gibt es einige neue Rätsel. Röntgenstrahlen sind spät; Gammastrahlen waren schwach - wir werden bald mehr darüber erfahren, da die NASA eine neue Konferenz abhalten wird.
Einige Themen der Konferenz:
- Auf den Innenseiten der NS wurden neue Informationen erhalten, die sich darauf auswirken, wie groß sie sein können und wie genau sie zusammengeführt werden.
- Das erste Bild einer Quelle von Gravitationswellen im sichtbaren Licht, die sich auf der Rückseite einer entfernten Galaxie befindet, wurde mit dem Swope-Teleskop aufgenommen. Das Zentrum der Galaxie ist ein Lichtkreis, und die Pfeile zeigen den Ort der Explosion an.
- Theoretische Berechnungen der Kilonexplosion zeigen, dass die Fragmente der Explosion sichtbares Licht ziemlich schnell blockieren sollten, so dass die Explosion im sichtbaren Licht schnell nachlässt - aber Infrarotlicht bleibt viel länger. Beobachtungen von Teleskopen im sichtbaren und infraroten Bereich bestätigen diesen Aspekt der Theorie; Dieser Beweis ist auf dem Bild oben zu sehen, wo der helle Fleck nach vier Tagen viel dunkler und viel röter geworden ist.
- Bewertung: Die Gesamtmasse an Gold und Platin, die bei dieser Explosion entstanden ist, ist viel größer als die Masse der Erde.
- Bewertung: Diese Neutronensterne haben sich vor etwa 10 Milliarden Jahren gebildet. Sie drehten sich den größten Teil der Geschichte des Universums umeinander und beendeten ihre Existenz erst vor 130 Millionen Jahren, was zu einer kürzlich entdeckten Explosion führte.
- Ein großes Rätsel: Alle vorherigen Gammastrahlen, die wir aufgezeichnet haben, leuchteten in ultravioletten und Röntgenstrahlen genauso wie im Gammabereich. Aber diesmal erschienen keine Röntgenstrahlen, zumindest nicht sofort. Das war eine große Überraschung. Das Chandra-Teleskop benötigte 9 Tage, um Röntgenstrahlen zu erkennen, die für jedes andere Teleskop zu schwach waren. Bedeutet dies, dass zwei NS BHs erzeugten, die dann einen Strahl ( relativistischen Strom ) von Materie erzeugten, der nicht direkt auf uns gerichtet war und Materie im interstellaren Raum hervorhob? Eine solche Gelegenheit wurde vor 20 Jahren vorgeschlagen, aber zum ersten Mal wurden einige Beweise für sie erbracht.
- Eine weitere Überraschung: Es dauerte 16 Tage, um die Funkwellen zu öffnen, und sie öffneten sie mit dem leistungsstärksten der vorhandenen Radioteleskope, Very Large Array . Seitdem erhöht die Funkemission die Helligkeit! Dies unterstützt, wie im Fall von Röntgenstrahlen, die Idee eines von uns weggerichteten Strahls.
- Bis jetzt haben wir so etwas wie diesen Gammastrahlenblitz nicht gesehen - oder genauer gesagt nicht erkannt. Wenn Gammastrahlen keine Röntgenkomponente haben, die fast sofort erscheint, sieht sie nur seltsam und ein wenig mysteriös aus. Es ist schwieriger zu beobachten als die meisten Blitze, denn wenn der Strahl uns nicht direkt ansieht, verschwindet sein Nachleuchten schnell. Wenn der Jet uns ansieht, fällt er außerdem so hell aus, dass er uns blind macht und es uns nicht erlaubt, die Details der Eigenschaften des Kilons zu erkennen. Diesmal sagte LIGO / VIRGO den Wissenschaftlern: „Ja, dies ist eine Fusion von NS“, was zu einer detaillierten Studie bei allen elektromagnetischen Frequenzen führte, einschließlich einer mehrtägigen Patientenstudie zu Gammastrahlen und Radioemissionen. In anderen Fällen würden diese Beobachtungen kurz nach dem Start aufhören und die ganze Geschichte könnte nicht richtig interpretiert werden.