El artículo anterior sobre los resultados obtenidos de los experimentos LIGO / VIRGO sobre el reconocimiento de ondas gravitacionales era de naturaleza informativa y no tenía como objetivo las instrucciones pedagógicas. Ahora intentaré responder las preguntas de mis lectores y amigos sobre este tema. Algunos querían imaginar mejor lo que sucedió, mientras que otros querían aclarar por qué este descubrimiento se volvió tan importante. Por lo tanto, escribí este artículo en el que explicaba qué son las estrellas de neutrones y los agujeros negros, y cómo se ve su fusión, y aclaré la importancia de este anuncio. Su importancia está contenida en varios puntos, y es bastante difícil reducirlos a cualquiera. Además, doy respuestas a otras preguntas.
Para empezar, haré una reserva: no soy un experto en el complejo tema de la fusión de las estrellas de neutrones y las explosiones resultantes, conocidas como "kilón". Son mucho más difíciles de fusionar agujeros negros. Yo mismo descubriré algunos detalles. Espero haber logrado evitar errores, pero en algunos casos no tengo todas las respuestas.
Preguntas básicas sobre las estrellas de neutrones, los agujeros negros y su fusión.
¿Qué son las estrellas de neutrones, los agujeros negros y cómo se relacionan?
Cada átomo consiste en un pequeño núcleo atómico que consiste en neutrones y protones (muy similares entre sí) y está rodeado de electrones. La mayor parte del átomo es un espacio vacío, por lo que en condiciones extremas puede ser aplastado, pero solo si cada electrón y protón se convierte en un neutrón (que permanece en el mismo lugar) y un neutrino (que viaja al espacio). Cuando una estrella gigante se queda sin combustible, la presión de su horno nuclear cae y se colapsa bajo su propio peso, creando las condiciones más extremas bajo las cuales la materia puede ser aplastada. Por lo tanto, el interior de una estrella con una masa varias veces mayor que la solar se convierte en una bola de neutrones de varios kilómetros de diámetro, y el número de neutrones en ella se aproxima a 1 con 57 ceros.
Si la estrella resultó ser lo suficientemente grande, pero no demasiado grande, la bola de neutrones se vuelve fuerte y mantiene su forma, y los restos de la estrella explotan hacia afuera, rompiéndose en pedazos; este proceso se llama una "supernova con un núcleo colapsando". La bola de neutrones permanece en su lugar; la llamamos estrella de neutrones. Consiste en la materia más densa, que solo, según nuestras ideas, puede existir en el Universo: un núcleo atómico puro de varios kilómetros de diámetro. Es una superficie muy dura; Si intentaras entrar a una estrella de neutrones, tus sensaciones serían mucho peores que si chocases con una puerta cerrada a una velocidad de varios cientos de km / h.
Si la estrella era muy grande, entonces la bola de neutrones formada puede colapsar pronto (o inmediatamente) bajo su propio peso y dar lugar a un agujero negro. En este caso, la supernova puede aparecer o no, la estrella puede simplemente desaparecer. BH es muy, muy diferente de una estrella de neutrones. BH: esto es lo que queda después del colapso irrevocable de la materia dentro de sí mismo, que se contrae infinitamente bajo la influencia de la gravedad. Y si una estrella de neutrones tiene una superficie sobre la que puede aplastarse la cabeza, el BH no tiene superficie: tiene un borde, que simplemente representa un punto de no retorno, llamado horizonte [de eventos]. En la teoría de Einstein, puedes atravesarlo, como a través de una puerta abierta. Ni siquiera notarás el momento de la transición. (Pero esto es cierto en la teoría de Einstein. Sin embargo, hay desacuerdo sobre si la combinación de la teoría de Einstein y la física cuántica convierte esta línea en algo nuevo y peligroso para las personas entrantes; esto se conoce como la "contradicción del
firewall ", pero su discusión nos llevaría demasiado lejos al campo de teorizar). Pero una vez que pasa por esta puerta, no será posible regresar.
Los BH también se pueden formar de otras maneras, pero estos no son esos BH que podemos observar con los detectores LIGO / VIRGO.
¿Por qué sus fusiones son las mejores fuentes de ondas gravitacionales?
Una de las formas más simples y obvias de crear ondas gravitacionales es hacer que dos objetos se muevan en órbita uno alrededor del otro. Si baja dos puños al agua y los gira uno alrededor del otro, obtendrá una extracción de agua de las olas que se mueven en diferentes direcciones; Esta es una analogía muy cruda de lo que sucede con dos objetos que giran uno alrededor del otro, aunque, dado que los objetos se mueven en el espacio, las ondas no aparecen en algún tipo de medio como el agua. Estas son las olas del espacio mismo.
Para obtener un GW potente, es necesario que ambos objetos tengan una masa muy grande y que giren a gran velocidad. Para lograr alta velocidad se requiere una atracción gravitacional muy fuerte; y para esto, los objetos deben ubicarse lo más cerca posible entre sí (ya que, como Isaac Newton ya sabía, la gravedad entre dos objetos aumenta a medida que disminuye la distancia entre ellos). Pero si los objetos son grandes, no pueden acercarse demasiado; chocarán entre sí y se fusionarán mucho antes de que puedan acelerar lo suficiente. Por lo tanto, para obtener una velocidad orbital muy rápida, es necesario tomar dos objetos relativamente pequeños con masas relativamente grandes, los que los científicos llaman objetos compactos. Las estrellas de neutrones y los BH son los objetos más compactos que conocemos. Afortunadamente, a menudo se mueven en parejas y, a veces, justo antes de la fusión, se mueven entre sí lo suficientemente rápido como para emitir HS, que LIGO y VIRGO pueden detectar.
¿Por qué estos objetos aparecen en pares?
Las estrellas a menudo se mueven en pares. Entonces se llaman
estrellas binarias . Pueden comenzar la vida en un par, formarse juntos en una gran nube de gas o, si aparecieron por separado, pueden formar una pareja, estar en una comunidad llena de estrellas, donde las estrellas cercanas a menudo vuelan cerca unas de otras. Quizás esto parezca inesperado, pero tal par puede sobrevivir al colapso y la explosión de cada una de las estrellas, lo que conducirá a la aparición de dos agujeros negros, dos estrellas de neutrones o un BH y un NS, orbitando uno alrededor del otro.
¿Qué sucede cuando estos objetos se fusionan?
No es sorprendente que se puedan detectar tres clases de asociaciones: la fusión de dos BH, la fusión de dos NS y la fusión de NS y BH. Observamos la primera clase en 2015 (anunciamos esto en 2016), la segunda se anunció en 2017 y esperar la tercera es solo cuestión de tiempo. Dos objetos pueden rotar uno alrededor del otro durante miles de millones de años, emitiendo ondas gravitacionales muy lentamente (este efecto se observó en los años 70, por el que se les otorgó el Premio Nobel), y acercándose gradualmente. Y solo en el último día de su vida la velocidad orbital comienza a aumentar realmente. Y justo antes de la fusión, comienzan a girar a una velocidad del orden de una revolución por segundo, luego diez revoluciones por segundo, luego cien revoluciones por segundo. Imagínese esto si puede: los objetos de varias decenas de kilómetros de diámetro, ubicados a varios kilómetros el uno del otro, con una masa que excede el sol, giran alrededor de ellos a una velocidad de 100 veces por segundo. Un fenómeno sorprendente es una mancuerna giratoria, que incluso las mentes más destacadas del siglo XIX no podían imaginar. No conozco un solo científico que no tenga reverencia por este espectáculo. Todo suena a ciencia ficción, pero no lo es.
¿Cómo sabemos que esto no es ciencia ficción?
Esto no es un NF si confiamos en la teoría de la gravedad de Einstein. Ella predice que una mancuerna de enorme masa que gira tan rápidamente, formada por dos objetos compactos, debería producir un patrón característico de perturbación espacial: ondas gravitacionales. Este patrón es complejo y se predice con precisión. En el caso de los agujeros negros, las predicciones cubren el período hasta el momento de la fusión, así como también después de ella, incluida una descripción de las señales de un BH más grande resultante de la fusión. En el caso de NS, los momentos poco antes de la colisión, la fusión en sí misma e inmediatamente después resulta ser más complicada y no estamos seguros de entenderlos completamente, pero dentro de unas pocas decenas de segundos antes de la fusión, la teoría de Einstein dice con mucha precisión qué esperar. La teoría predice más eventos: cómo estas ondas se propagarán a largas distancias desde donde surgieron, llegarán a la Tierra y cómo aparecerán en la red LIGO / VIRGO en tres detectores de ondas gravitacionales. Por lo tanto, con respecto a qué esperar en LIGO / VIRGO, hay varias predicciones: esta teoría se usa para predecir la existencia y las propiedades de BH y NS, características detalladas de sus fusiones, dibujos precisos de las ondas gravitacionales resultantes y cómo se propagan exactamente las ondas gravitacionales en el espacio . LIGO / VIRGO descubrió patrones característicos de estas ondas gravitacionales. Y el hecho de que estas cifras sean exactamente consistentes con la teoría de Einstein es la evidencia más confiable jamás recibida de que la teoría no tiene errores cuando se usa en estos contextos combinados.
Observo que la evidencia se refiere de alguna manera a sí misma, pero así es como avanza el conocimiento científico, en la forma de un conjunto de varias verificaciones detalladas de consistencia que gradualmente están tan entrelazadas entre sí que es casi imposible separarlas. El razonamiento científico no es deductivo, sino inductivo. Hacemos esto no porque esté completamente lógicamente justificado, sino porque funciona increíblemente bien, y la prueba es una computadora con una pantalla en la que escribo este texto, e Internet por cable junto con conexiones inalámbricas, y un disco de computadora que funcionará Se utiliza para almacenar y transmitir texto.
La importancia del anuncio de octubre de la fusión de las estrellas de neutrones
La importancia del anuncio es difícil de explicar porque consta de muchos resultados importantes, apilados uno encima del otro, y no solo un resultado que se puede volver a contar en un par de palabras.
Y aquí hay una lista de lo que aprendimos. Ninguno de sus elementos impacta los cimientos del universo, pero cada uno es bastante interesante, y juntos forman un evento importante en la historia de la ciencia.
La primera observación confirmada de la fusión de dos NS
Sabíamos que tales fusiones deberían ocurrir, pero no estábamos seguros de esto. Y dado que estas cosas están demasiado lejos de nosotros y son demasiado pequeñas para ser vistas a través de un telescopio, la única forma de asegurarse de que la fusión esté ocurriendo y descubrir más detalles sobre ellas es usar ondas gravitacionales. En los próximos años, esperamos ver muchas más fusiones de este tipo, en el proceso de cómo la astronomía gravitacional aumentará su sensibilidad, y aprenderemos más sobre ellas.
Nueva información sobre las propiedades de las estrellas de neutrones
La existencia de Nueva Zelanda se predijo hace casi cien años y se confirmó en 60-70 años. Pero sus propiedades exactas son desconocidas; creemos que se ven como núcleos atómicos gigantes, pero son mucho más grandes que los núcleos atómicos ordinarios que no podemos estar seguros de que comprendamos todas sus propiedades internas, y hay disputas en la comunidad científica que no se pueden resolver fácilmente, pero, Tal vez se detendrán pronto.
A partir de un dibujo detallado de las ondas gravitacionales de las estrellas de neutrones fusionadas, los científicos ya han aprendido dos cosas. Primero, hemos confirmado que la teoría de Einstein predice correctamente el patrón básico de ondas gravitacionales que emanan de NS o BH que giran una alrededor de la otra. Pero, a diferencia de la región del Mar Negro, hay muchas más preguntas sobre lo que sucede después de la fusión del NS. Y la pregunta de qué le sucedió a nuestra pareja después de la fusión sigue abierta: ¿se formó el NS, el NS inestable, que colapsó en el BH en el proceso de desaceleración de la rotación, o apareció el BH de inmediato?
Pero ya hemos aprendido algo importante sobre las propiedades internas de NS. La carga de una rotación tan rápida nos haría pedazos a ti y a ti, e incluso podría destrozar la Tierra. Sabemos que NS es mucho más fuerte que la piedra ordinaria, pero ¿cuánto más fuerte? Si fueran demasiado frágiles, se romperían en algún momento durante las observaciones realizadas en LIGO / VIRGO, y el simple dibujo esperado de ondas gravitacionales de repente se volvería mucho más complicado. Pero esto no sucedió, al menos hasta el momento inmediatamente anterior a la fusión. Por lo tanto, los científicos pueden usar esta simplicidad del patrón de onda gravitacional para obtener nuevos datos sobre cuán sólidos y duraderos son los NS. Las fusiones posteriores mejorarán nuestra comprensión del problema. No existe otro método simple para obtener dicha información.
La primera observación de un evento que produce tanto las ondas gravitacionales más fuertes como las ondas electromagnéticas brillantes.
La fusión de BH no debería crear una luz brillante, porque, como mencioné, son más como puertas abiertas a un patio de juegos invisible que piedras, por lo que se fusionan en silencio, sin colisiones brillantes y calientes. Pero las estrellas de neutrones parecen grandes bolas de materia, por lo que su colisión puede dar lugar a una gran cantidad de calor y luz de cualquier tipo, exactamente como cabría esperar ingenuamente. Por "luz" me refiero no solo a la luz visible, sino también a todo tipo de ondas electromagnéticas de todas las longitudes de onda (y, en consecuencia, de todas las frecuencias). Los científicos dividen el espectro de ondas electromagnéticas en categorías. Estas son ondas de radio, microondas, luz infrarroja, luz visible, ultravioleta, rayos X y radiación gamma, en orden de frecuencia creciente y longitud de onda decreciente.
Tenga en cuenta que estas categorías y la separación entre ellas son completamente arbitrarias, pero es útil para diversos fines científicos. La única diferencia fundamental entre la luz amarilla, la onda de radio y la radiación gamma es la frecuencia y la longitud de onda; todo lo demás es lo mismo: una ola de campos eléctricos y magnéticos.
Entonces, en el caso de la fusión de dos NS, esperamos la aparición de ondas gravitacionales y electromagnéticas de diferentes frecuencias que surgen de varios efectos debido a la colisión de dos enormes bolas de neutrones. Pero el hecho de que los esperemos no significa que sea fácil detectarlos. Tales fusiones ocurren muy raramente, quizás una cada cientos de miles de años en una galaxia tan grande como la nuestra, por lo que las que descubrimos con LIGO / VIRGO generalmente estarán muy lejos de nosotros. Si el espectáculo de luces es demasiado tenue, nuestros telescopios no podrán verlo.
Pero este espectáculo fue lo suficientemente brillante. Los detectores de rayos gamma en el espacio lo detectaron de inmediato, confirmando el hecho de que las ondas gravitacionales de dos NS condujeron a una colisión y fusión, lo que generó luz de una frecuencia muy alta. Y esto en sí mismo era algo único. Como si una persona hubiera visto relámpagos toda su vida, pero nunca hubiera escuchado un trueno; o observó las olas de los huracanes, pero nunca vio el huracán en sí. El hecho de que vimos dos manifestaciones de la fusión a la vez nos abre un conjunto completamente nuevo de perspectivas; a veces uno más uno da más de dos.
Con el tiempo, después de algunas horas y días, los efectos de la fusión también se observaron en el rango visible, ultravioleta, luz infrarroja, rayos X y ondas de radio. Algunos llegaron antes que otros, lo que en sí mismo es una historia separada, pero cada uno de ellos se sumó al tesoro de nuestra comprensión de los procesos de fusión.
Confirmación de las mejores conjeturas sobre las fuentes de ráfagas cortas de rayos gamma
Durante años en el cielo, hemos observado estallidos de rayos gamma. Entre ellos, se distinguió una clase de ráfagas, en duración más corta que las otras, que generalmente duran un par de segundos. Venían de todas partes del cielo, lo que indicaba que provenían de un espacio intergaláctico distante, presumiblemente de galaxias distantes. Entre otras explicaciones, la hipótesis más popular del origen de estas explosiones fue la fusión de NS. La única forma de confirmar esta hipótesis era detectar las ondas gravitacionales de esta fusión. Esta prueba ya pasó; aparentemente, la hipótesis está confirmada. Y esto significa que por primera vez tenemos una buena explicación de estas breves explosiones de rayos gamma y, en función de la frecuencia de su aparición, una buena estimación de la frecuencia de fusión NS en el Universo.
La primera medición de la distancia a la fuente utilizando ondas gravitacionales y el desplazamiento al rojo de las ondas electromagnéticas, lo que permitió calibrar la escala de distancias del Universo y su velocidad de expansión de una nueva manera.
El patrón de cambio en las ondas gravitacionales que resulta de la fusión de dos BH o NS en el tiempo es lo suficientemente complicado como para revelarnos mucha información sobre la fusión de objetos, incluida una estimación aproximada de su masa y orientación de un par giratorio en relación con la Tierra. La fuerza total de las olas, junto con el conocimiento de sus masas, nos revela la lejanía de la pareja desde la Tierra. Esto no es malo en sí mismo, pero el beneficio real es cuando abrimos el objeto con luz visible, o cualquier luz con una frecuencia inferior a la de los rayos gamma.
En este caso, es posible determinar la galaxia donde se encuentran estas estrellas de neutrones.Conociendo su galaxia natal, se puede hacer algo muy importante. Mirando la luz de las estrellas, podemos determinar qué tan rápido la galaxia se aleja de nosotros. Para galaxias distantes, la velocidad con la que se alejan de nosotros debería estar relacionada con la distancia a ellas debido a la expansión del Universo.La forma en que el Universo se está expandiendo rápidamente se ha medido recientemente con gran precisión, pero el problema es que se utilizan dos métodos diferentes para esta medición, que no coinciden. Este desajuste es uno de los problemas más importantes en nuestra comprensión del universo. Quizás uno de los métodos sea imperfecto, y quizás, y sería mucho más interesante, el Universo no se comporta de la manera que pensamos.Las ondas gravitacionales nos dan un tercer método: informan directamente la distancia a la galaxia, y las ondas electromagnéticas nos dan directamente una velocidad desbocada. Para galaxias distantes, no existe otro método para realizar mediciones conjuntas de este tipo. Este método no es lo suficientemente preciso como para ser útil en el caso de una sola fusión, pero después de observar docenas de fusiones, el resultado promedio nos dará nueva información importante sobre la expansión del universo. La combinación con otros métodos puede ayudarnos a resolver este importante rompecabezas.Hasta ahora, la mejor prueba de las predicciones de Einstein ha sido que la velocidad de la luz y las ondas gravitacionales coinciden: dado que los rayos gamma de la fusión y el valor máximo de las ondas gravitacionales llegaron con dos segundos de diferencia, después de 130 millones de años, es decir, viajando alrededor de 5 mil millones de segundos: podemos decir que la velocidad de la luz y la velocidad de las ondas gravitacionales es igual al límite cósmico de velocidad con una precisión de una parte por cada 2 mil millones de millones. Una verificación tan precisa requería una combinación de observaciones de ondas gravitacionales y rayos gamma.Creación efectiva de elementos pesados confirmada
Hace tiempo que se sabe que estamos compuestos de materia que aparece en estrellas o polvo de estrellas. Pero si comienzas a lidiar con los detalles de este proceso, aparecerán acertijos. Se sabe que todos los elementos químicos, desde el hidrógeno hasta el hierro, se forman en estrellas y pueden arrojarse al espacio en una explosión de supernova, flotar aquí y allá, y eventualmente formar planetas, lunas y personas, pero no estaba claro cómo los grandes Algunos de los elementos más pesados son yodo, cesio, oro, plomo, bismuto, uranio, etc. Sí, pueden ocurrir en supernovas, pero no es tan simple; y en el Universo, aparentemente, hay más átomos de elementos pesados que los que pueden explicarse por las supernovas. Ha habido muchas supernovas en la historia del universo, pero la eficiencia de su producción de elementos pesados es demasiado baja.Hace algún tiempo, se sugirió que la fusión de estrellas de neutrones podría ser un candidato adecuado para la producción de estos elementos pesados. Aunque tales fusiones son raras, pueden ser mucho más efectivas, ya que los núcleos de elementos pesados contienen muchos neutrones y, como es lógico, la colisión de dos estrellas de neutrones dará lugar a la aparición de muchos neutrones en los fragmentos de esta colisión, adecuados para crear los núcleos mencionados. El indicador clave de este proceso sería el siguiente: si fuera posible detectar la fusión de las estrellas de neutrones usando ondas gravitacionales y determinar su ubicación usando telescopios, entonces uno podría estudiar su luz y encontrar en ella rastros característicos de lo que ahora se llama la "explosión de kilones " "Personalmente, no conozco todos los detalles del kilo. Es alimentado por la formación de elementos pesados; La mayoría de los núcleos obtenidos son primero radiactivos, es decir, inestables, y luego se descomponen, emitiendo partículas de alta energía, incluidas partículas de luz (fotones), que caen en las categorías de rayos gamma y rayos X. El brillo característico final debe tener ciertas características: inicialmente debe ser brillante, pero luego se apaga abruptamente con luz visible y brilla durante mucho tiempo en infrarrojo. Las razones para esto son complejas, así que omitámoslas por ahora. Es importante que se hayan registrado estas características, que confirmaron la aparición del kilón del tipo deseado y, por lo tanto, en esta fusión de estrellas de neutrones, se creó una gran cantidad de elementos pesados. Por lo tanto, por primera vez, ahora tenemos mucha evidencia,que casi todos los elementos químicos pesados de nuestro planeta y sus alrededores se formaron durante la confluencia de las estrellas de neutrones. Repito que no podríamos saber esto si no estuviéramos seguros de que este evento fuera una fusión de estrellas de neutrones, y tal información solo puede obtenerse a partir de la observación de ondas gravitacionales.Preguntas varias
¿La fusión de estos dos NS resultó en un nuevo BH, un NS más grande o un NS inestable que gira rápidamente, que posteriormente colapsó en el BH?
Esto aún no lo sabemos, y quizás no lo sabremos. Algunos científicos involucrados en el experimento están inclinados a la posibilidad de BH, mientras que otros dicen que esto es inexacto. No estoy seguro de qué información adicional podemos obtener después de algún tiempo.Si dos NS formaron un BH, ¿dónde estará el kilon? ¿Por qué todo esto no apesta en BH?
BH - no aspiradoras; atraen todo a través de la gravedad, como lo hacen la Tierra y el Sol, y no absorben la materia de ninguna manera especial. Su única diferencia es que si caes hacia adentro, no saldrás. Pero así como puede evitar una colisión con la Tierra o el Sol, puede evitar caer en el BH si se mueve en órbita lo suficientemente rápido, o si se desplaza hacia un lado antes de llegar al borde [del horizonte].La esencia de la fusión NS es que en el momento de la fusión, las fuerzas que actúan sobre ellas son tan grandes que una o ambas estrellas se desgarran. El material expulsado como resultado a altas velocidades y en todas las direcciones de alguna manera crea una brillante explosión de rayos gamma, y como resultado, la emisión de kilones brilla debido a los núcleos atómicos recién creados. Estos detalles aún no están claros para mí, pero sé que se estudian cuidadosamente utilizando ecuaciones aproximadas y simulaciones por computadora . Sin embargo, la precisión de las simulaciones solo se puede confirmar a través de un estudio exhaustivo de la fusión, solo la pregunta en el anuncio. Aparentemente, estas simulaciones hicieron un buen trabajo. Estoy seguro de que mejorarán después de la comparación con los datos obtenidos.