O artigo anterior sobre os resultados obtidos nas experiências LIGO / VIRGO sobre o reconhecimento de ondas gravitacionais era de natureza informacional e não visava instruções pedagógicas. Agora tentarei responder a perguntas de meus leitores e amigos sobre este tópico. Alguns queriam imaginar melhor o que aconteceu, enquanto outros queriam esclarecer por que essa descoberta se tornou tão importante. Portanto, escrevi este artigo no qual expliquei o que são as estrelas de nêutrons e os buracos negros, e qual a aparência de sua fusão, e esclareci a importância desse anúncio. Sua importância está contida em vários pontos e é bastante difícil reduzi-los a qualquer um. Além disso, dou respostas a outras perguntas.
Para começar, farei uma reserva: não sou especialista no tópico complexo da fusão de estrelas de nêutrons e das explosões resultantes, conhecidas como "kilon". Eles são muito mais difíceis de mesclar buracos negros. Eu mesmo vou descobrir alguns detalhes. Espero ter conseguido evitar erros, mas em alguns casos não tenho todas as respostas.
Perguntas básicas sobre estrelas de nêutrons, buracos negros e sua fusão
O que são estrelas de nêutrons, buracos negros e como eles estão relacionados?
Cada átomo consiste em um pequeno núcleo atômico que consiste em nêutrons e prótons (muito semelhantes entre si) e é vagamente cercado por elétrons. A maior parte do átomo é espaço vazio; portanto, em condições extremas, ele pode ser esmagado - mas somente se cada elétron e próton se transformarem em nêutron (permanecendo no mesmo lugar) e em neutrino (viajando no espaço). Quando uma estrela gigante fica sem combustível, a pressão de seu forno nuclear cai e ela cai sob seu próprio peso, criando as condições mais extremas sob as quais a matéria pode ser esmagada. Assim, o interior de uma estrela com massa várias vezes maior que a solar se transforma em uma bola de nêutrons com vários quilômetros de diâmetro, e o número de nêutrons nela se aproxima de 1 com 57 zeros.
Se a estrela acabou sendo grande o suficiente, mas não muito grande, a bola de nêutrons se torna forte e mantém sua forma, e os remanescentes da estrela explodem para fora, quebrando em pedaços - esse processo é chamado de "supernova com um núcleo em colapso". A bola de nêutrons permanece no lugar - chamamos de estrela de nêutrons. Consiste na matéria mais densa, que apenas, de acordo com nossas idéias, pode existir no Universo - um núcleo atômico puro de vários quilômetros de diâmetro. É uma superfície muito dura; se você tentasse entrar em uma estrela de nêutrons, suas sensações seriam muito piores do que se você colidisse com uma porta fechada a uma velocidade de várias centenas de km / h.
Se a estrela era muito grande, a bola de nêutrons formada pode em breve (ou imediatamente) entrar em colapso com seu próprio peso e dar origem a um buraco negro. Nesse caso, a supernova pode ou não aparecer - a estrela pode simplesmente desaparecer. BH é muito, muito diferente de uma estrela de nêutrons. BH - é o que resta após o colapso irrevogável da matéria dentro de si, se contraindo infinitamente sob a influência da gravidade. E se uma estrela de nêutrons tem uma superfície sobre a qual você pode esmagar sua cabeça, a BH não tem superfície - ela tem uma borda, que simplesmente representa um ponto sem retorno, chamado horizonte [de eventos]. Na teoria de Einstein, você pode passar por isso, como por uma porta aberta. Você nem notará o momento da transição. (Mas isso é verdade na teoria de Einstein. No entanto, há discordância sobre se a combinação da teoria de Einstein e da física quântica transforma essa faceta em algo novo e perigoso para as pessoas que chegam; isso é conhecido como "contradição do
firewall ", mas sua discussão nos levaria muito longe. para o campo da teorização). Mas depois de passar por essa porta, não será possível retornar.
As BHs também podem ser formadas de outras maneiras - mas essas não são as BHs que podemos observar com os detectores LIGO / VIRGO.
Por que suas fusões são as melhores fontes de ondas gravitacionais?
Uma das maneiras mais simples e óbvias de criar ondas gravitacionais é fazer com que dois objetos se movam em órbita. Se você abaixar dois punhos na água e torcer um ao outro, obterá um desenho da água das ondas se movendo em direções diferentes; essa é uma analogia muito grosseira com o que acontece com dois objetos girando um ao redor do outro, embora, como os objetos se movam no espaço, as ondas não apareçam em algum tipo de mídia, como a água. Estas são as ondas do próprio espaço.
Para obter GW poderoso, é necessário que ambos os objetos tenham uma massa muito grande e que gire em alta velocidade. Alcançar alta velocidade requer uma atração gravitacional muito forte; e para isso, os objetos devem estar localizados o mais próximo possível uns dos outros (uma vez que, como Isaac Newton já sabia, a gravidade entre dois objetos aumenta com a distância decrescente entre eles). Mas se os objetos são grandes, eles não podem se aproximar muito; eles colidirão um com o outro e se fundirão muito antes que possam acelerar o suficiente. Portanto, para obter uma velocidade orbital muito rápida, é necessário levar dois objetos relativamente pequenos com massas relativamente grandes - aqueles que os cientistas chamam de objetos compactos. Estrelas de nêutrons e BHs são os objetos mais compactos que conhecemos. Felizmente, eles geralmente se movem em pares e, às vezes, apenas curto o suficiente antes da fusão, se movimentam rápido o suficiente para liberar HS, que pode ser detectado por LIGO e VIRGO.
Por que esses objetos aparecem em pares?
Estrelas muitas vezes se movem em pares. Então eles são chamados de
estrelas binárias . Eles podem começar a vida em pares, formando-se juntos em uma grande nuvem de gás ou, se aparecerem separadamente, podem formar um casal, estando em uma comunidade cheia de estrelas, onde estrelas próximas freqüentemente voam próximas umas das outras. Talvez isso pareça inesperado, mas esse par pode sobreviver ao colapso e à explosão de cada uma das estrelas, o que levará ao aparecimento de dois buracos negros, duas estrelas de nêutrons ou uma BH e uma NS, orbitando uma à outra.
O que acontece quando esses objetos são mesclados?
Não é surpresa que existam três classes de associações que podem ser detectadas: a fusão de duas BHs, a fusão de duas NS e a fusão de NS e BH. Observamos a primeira turma em 2015 (anunciada em 2016), a segunda foi anunciada em 2017 e a espera pela terceira é apenas uma questão de tempo. Dois objetos podem girar entre si por bilhões de anos, emitindo ondas gravitacionais muito lentamente (esse efeito foi observado nos anos 70, pelo qual foram agraciados com o Prêmio Nobel), e gradualmente se aproximando. E somente no último dia de sua vida a velocidade orbital começa a aumentar verdadeiramente. E pouco antes da fusão, eles começam a girar a uma velocidade da ordem de uma revolução por segundo, depois dez revoluções por segundo, depois cem revoluções por segundo. Imagine o seguinte, se puder: objetos com dezenas de quilômetros de diâmetro, localizados a vários quilômetros um do outro, com uma massa superior ao sol, giram em torno um do outro a uma velocidade de 100 vezes por segundo. Um fenômeno impressionante é um haltere rotativo, que nem as mentes mais destacadas do século XIX podiam imaginar. Não conheço um único cientista que não tenha reverência por esse espetáculo. Tudo soa como ficção científica, mas não é.
Como sabemos que isso não é ficção científica?
Esta não é uma NF se confiarmos na teoria da gravidade de Einstein. Ela prevê que um haltere de enorme massa, que gira rapidamente, formado por dois objetos compactos, deve produzir um padrão característico de perturbação espacial - ondas gravitacionais. Esse padrão é complexo e previsto com precisão. No caso de buracos negros, as previsões cobrem o período até o momento da fusão, bem como após a mesma, incluindo uma descrição dos sinais de uma BH maior resultante da fusão. No caso de NS, os momentos pouco antes da colisão, a fusão em si e imediatamente depois se tornam mais complicados e não temos certeza de entendê-los completamente, mas algumas dezenas de segundos antes da fusão, a teoria de Einstein diz com muita precisão o que esperar. A teoria prediz eventos adicionais - como essas ondas se propagam por longas distâncias de onde surgiram, atingem a Terra e como aparecerão na rede LIGO / VIRGO em três detectores de ondas gravitacionais. Portanto, existem várias previsões sobre o que esperar em LIGO / VIRGO: essa teoria é usada para prever a existência e propriedades de BHs e NSs, características detalhadas de suas fusões, desenhos precisos das ondas gravitacionais resultantes e como exatamente as ondas gravitacionais se propagam no espaço . LIGO / VIRGO descobriu padrões característicos dessas ondas gravitacionais. E o fato de que esses números são exatamente consistentes com a teoria de Einstein é a evidência mais confiável já recebida de que a teoria não tem erros quando usada nesses contextos combinados.
Observo que as evidências se referem de alguma forma a si mesmas - mas é assim que o conhecimento científico avança, na forma de um conjunto de várias verificações detalhadas de consistência que são gradualmente tão entrelaçadas entre si que é praticamente impossível separá-las. O raciocínio científico não é dedutivo, mas indutivo. Fazemos isso não porque seja completamente justificado logicamente, mas porque funciona incrivelmente bem - e a prova é um computador com uma tela na qual eu digito este texto, Internet com fio juntamente com conexões sem fio e um disco de computador que usado para armazenar e transmitir texto.
O significado do anúncio de outubro da fusão de estrelas de nêutrons
O significado do anúncio é difícil de explicar, pois consiste em muitos resultados importantes, empilhados uns sobre os outros, e não apenas um resultado que pode ser recontado em poucas palavras.
E aqui está uma lista do que aprendemos. Nenhum de seus elementos choca os fundamentos do universo, mas cada um é bastante interessante, e juntos eles formam um evento importante na história da ciência.
A primeira observação confirmada da fusão de duas empresas NS
Sabíamos que essas fusões deveriam ocorrer, mas não tínhamos certeza disso. E como essas coisas estão muito longe de nós e são pequenas demais para serem vistas através de um telescópio, a única maneira de garantir que a fusão esteja acontecendo e descobrir mais detalhes sobre elas é usar ondas gravitacionais. Nos próximos anos, esperamos ver muito mais dessas fusões, no processo de como a astronomia gravitacional aumentará sua sensibilidade, e aprenderemos mais sobre elas.
Novas informações sobre as propriedades das estrelas de nêutrons
A existência da Nova Zelândia foi prevista há quase cem anos e confirmada em 60 a 70 anos. Mas suas propriedades exatas são desconhecidas; acreditamos que eles se parecem com núcleos atômicos gigantes, mas são tão maiores que os núcleos atômicos comuns que não podemos ter certeza de que compreendemos todas as suas propriedades internas, e há disputas na comunidade científica que não podem ser facilmente resolvidas - mas, talvez eles parem em breve.
A partir de um desenho detalhado das ondas gravitacionais das estrelas de nêutrons mescladas, os cientistas já aprenderam duas coisas. Primeiro, confirmamos que a teoria de Einstein prediz corretamente o padrão básico de ondas gravitacionais que emanam de NS ou BH girando uma em torno da outra. Mas, diferentemente da região do Mar Negro, há muito mais perguntas sobre o que acontece após a fusão do NS. E a questão do que aconteceu ao nosso casal após a fusão permanece em aberto - o NS formou, o NS instável, que entrou em colapso na BH no processo de desaceleração da rotação, ou a BH apareceu imediatamente?
Mas nós já aprendemos algo importante sobre as propriedades internas do NS. O fardo dessa rotação tão rápida rasgaria eu e você em pedaços, e poderia até rasgar a Terra. Sabemos que o NS é muito mais forte que a pedra comum, mas quanto mais forte? Se fossem muito frágeis, iriam quebrar em algum momento durante as observações feitas no LIGO / VIRGO, e o desenho simples esperado das ondas gravitacionais subitamente se tornaria muito mais complicado. Mas isso não aconteceu, pelo menos até o momento imediatamente anterior à fusão. Portanto, os cientistas podem usar essa simplicidade do padrão de ondas gravitacionais para obter novos dados sobre como os NSs são sólidos e duráveis. Fusões subsequentes melhorarão nossa compreensão do problema. Não existe outro método simples para obter essas informações.
A primeira observação de um evento produzindo as ondas gravitacionais mais fortes e as ondas eletromagnéticas brilhantes
A fusão das BHs não deve criar uma luz brilhante, porque, como eu mencionei, elas são mais como portas abertas para um playground invisível do que pedras, então elas se fundem em silêncio, sem colisões brilhantes e quentes. Mas as estrelas de nêutrons parecem grandes bolas de matéria, de modo que sua colisão pode gerar uma enorme quantidade de calor e luz de qualquer tipo - exatamente como você esperaria ingenuamente. Por "luz" quero dizer não apenas a luz visível, mas também todos os tipos de ondas eletromagnéticas de todos os comprimentos de onda (e, consequentemente, de todas as frequências). Os cientistas dividem o espectro de ondas eletromagnéticas em categorias. São ondas de rádio, microondas, luz infravermelha, luz visível, ultravioleta, raios X e radiação gama - em ordem crescente de frequência e menor comprimento de onda.
Lembre-se de que essas categorias e a separação entre elas são completamente arbitrárias, mas são úteis para vários fins científicos. A única diferença fundamental entre luz amarela, onda de rádio e radiação gama é a frequência e o comprimento de onda; tudo o resto é a mesma coisa: uma onda de campos elétricos e magnéticos.
Portanto, no caso da fusão de duas NS, esperamos o aparecimento de ondas gravitacionais e eletromagnéticas de diferentes frequências, decorrentes de vários efeitos devido à colisão de duas enormes bolas de nêutrons. Mas apenas porque os esperamos, não significa que será fácil identificá-los. Tais fusões ocorrem muito raramente - talvez um a cada centenas de milhares de anos em uma galáxia tão grande quanto a nossa -, de modo que aquelas que descobrimos com o LIGO / VIRGO geralmente ficam bem longe de nós. Se o show de luzes estiver muito fraco, nossos telescópios não poderão vê-lo.
Mas esse show foi brilhante o suficiente. Os detectores de raios gama no espaço o avistaram imediatamente, confirmando o fato de que as ondas gravitacionais de dois NSs levaram a uma colisão e fusão, o que gerou luz com uma frequência muito alta. E isso por si só era algo único. Como se uma pessoa tivesse visto relâmpagos a vida inteira, mas nunca tivesse ouvido trovões; ou ele assistiu as ondas dos furacões, mas nunca viu o próprio furacão. O fato de termos visto duas manifestações da fusão ao mesmo tempo abre um conjunto completamente novo de perspectivas para nós; às vezes um mais um dá mais de dois.
Com o tempo - após algumas horas e dias - os efeitos da fusão também foram observados na faixa visível, ultravioleta, luz infravermelha, raios-x e nas ondas de rádio. Alguns vieram antes que outros, o que por si só é uma história separada, mas cada um deles contribuiu para o tesouro de nossa compreensão dos processos de fusão.
Confirmação dos melhores palpites sobre as fontes de pequenas rajadas de raios gama
Durante anos no céu, observamos explosões de raios gama. Entre eles, distinguia-se uma classe de rajadas, com duração menor que as outras, geralmente com duração de alguns segundos. Eles vieram de todas as partes do céu, o que indicava que vinham de um espaço intergalático distante, presumivelmente de galáxias distantes. Entre outras explicações, a hipótese mais popular da origem dessas explosões foi a fusão da NS. A única maneira de confirmar essa hipótese era detectar as ondas gravitacionais dessa fusão. Este teste já passou; aparentemente, a hipótese está confirmada. E isso significa que, pela primeira vez, temos uma boa explicação dessas breves explosões de raios gama e, com base na frequência de sua aparência, uma boa estimativa da frequência de fusão NS no Universo.
A primeira medição da distância da fonte usando ondas gravitacionais e desvio para o vermelho das ondas eletromagnéticas, que possibilitou calibrar a escala de distâncias do Universo e sua velocidade de expansão de uma nova maneira.
O padrão de mudança nas ondas gravitacionais resultante da fusão de duas BHs ou NSs no tempo é complicado o suficiente para nos revelar muitas informações sobre a fusão de objetos, incluindo uma estimativa aproximada de sua massa e orientação de um par rotativo em relação à Terra. A força geral das ondas, juntamente com o conhecimento de suas massas, nos revela o afastamento do par da Terra. Isso não é ruim por si só, mas o benefício real é quando abrimos o objeto com luz visível, ou qualquer luz com uma frequência menor que a dos raios gama.
Nesse caso, é possível determinar a galáxia onde essas estrelas de nêutrons estão localizadas.Conhecendo sua galáxia, algo muito importante pode ser feito. Observando a luz das estrelas, podemos determinar a rapidez com que a galáxia se afasta de nós. Para galáxias distantes, a velocidade com que elas se afastam de nós deve estar relacionada à distância delas devido à expansão do Universo.A maneira como o Universo está se expandindo rapidamente foi recentemente medida com grande precisão, mas o problema é que são usados dois métodos diferentes para essa medição, que não coincidem. Essa incompatibilidade é uma das questões mais importantes em nossa compreensão do universo. Talvez um dos métodos seja imperfeito, e talvez - e seria muito mais interessante - o Universo não se comporte da maneira que pensamos.As ondas gravitacionais nos dão um terceiro método: elas relatam diretamente a distância da galáxia e as ondas eletromagnéticas diretamente nos dão uma velocidade descontrolada. Para galáxias distantes, não há outro método para realizar medições de juntas desse tipo. Esse método não é preciso o suficiente para ser útil no caso de uma única fusão, mas depois de observar dezenas de fusões, o resultado médio nos dará novas e importantes informações sobre a expansão do universo. A combinação com outros métodos pode nos ajudar a resolver esse quebra-cabeça importante.Até agora, o melhor teste das previsões de Einstein foi que a velocidade da luz e as ondas gravitacionais coincidem: desde que os raios gama da fusão e o valor de pico das ondas gravitacionais chegaram dois segundos um após o outro, depois de 130 milhões de anos - ou seja, viajando cerca de 5 mil milhão de milhões de segundos - podemos dizer que a velocidade da luz e a velocidade das ondas gravitacionais são iguais ao limite cósmico da velocidade com uma precisão de uma parte por 2 milhões de milhões. Uma verificação tão precisa exigia uma combinação de observações de ondas gravitacionais e raios gama.Confirmação efetiva de elementos pesados
Há muito se sabe que somos compostos de matéria que aparece em estrelas, ou poeira estelar. Mas se você começar a lidar com os detalhes desse processo, os quebra-cabeças aparecerão. Sabe-se que todos os elementos químicos, do hidrogênio ao ferro, são formados em estrelas e podem ser jogados no espaço em uma explosão de supernova, flutuando aqui e ali, e eventualmente formar planetas, luas e pessoas - mas não ficou claro como as grandes alguns dos elementos mais pesados são iodo, césio, ouro, chumbo, bismuto, urânio e assim por diante. Sim, eles podem ocorrer em supernovas, mas não é tão simples; e no universo, aparentemente, há mais átomos de elementos pesados do que pode ser explicado pelas supernovas. Houve muitas supernovas na história do universo, mas a eficiência de sua produção de elementos pesados é muito baixa.Algum tempo atrás, foi sugerido que a fusão de estrelas de nêutrons poderia ser um candidato adequado para a produção desses elementos pesados. Embora essas fusões sejam raras, elas podem ser muito mais eficazes, uma vez que os núcleos de elementos pesados contêm muitos nêutrons e, não surpreendentemente, a colisão de duas estrelas de nêutrons levará ao aparecimento de muitos nêutrons nos fragmentos dessa colisão, adequados para a criação dos núcleos acima mencionados. O principal indicador desse processo seria o seguinte: se fosse possível detectar a fusão de estrelas de nêutrons usando ondas gravitacionais e determinar sua localização usando telescópios, você poderia estudar sua luz e encontrar nela traços característicos do que agora é chamado de "explosão de kilon " "Pessoalmente, não conheço todos os detalhes do quilo. É alimentado pela formação de elementos pesados; a maioria dos núcleos obtidos é primeiro radioativa - isto é, instável - e depois decai, emitindo partículas de alta energia, incluindo partículas de luz (fótons), que se enquadram nas categorias de raios gama e raios-x. O brilho da característica final deve ter certas características: inicialmente deve ser brilhante, mas depois desaparece abruptamente na luz visível e brilha por um longo tempo no infravermelho. As razões para isso são complexas, portanto, vamos omiti-las por enquanto. É importante que essas características tenham sido registradas, o que confirmou o surgimento do kilon do tipo desejado e, portanto, nessa fusão de estrelas de nêutrons, um grande número de elementos pesados foi realmente criado. Portanto, pela primeira vez, agora temos muitas evidências,que quase todos os elementos químicos pesados do nosso planeta e ao seu redor foram formados durante a confluência de estrelas de nêutrons. Repito que não poderíamos saber disso se não tivéssemos certeza de que esse evento fosse uma fusão de estrelas de nêutrons, e essa informação só pode ser obtida a partir da observação de ondas gravitacionais.Questões diversas
A fusão desses dois NS resultou em um novo BH, um NS maior ou um NS de rotação rápida instável, que posteriormente entrou em colapso no BH?
Isso ainda não é conhecido por nós, e talvez não saberemos. Alguns cientistas envolvidos no experimento estão inclinados para a possibilidade de BH, enquanto outros dizem que isso é impreciso. Não tenho certeza de quais informações adicionais podemos obter após algum tempo.Se dois NSs formaram uma BH, onde o kilon? Por que tudo isso não foi ruim em BH?
BH - não aspiradores de pó; eles atraem tudo através da gravidade, como fazem a Terra e o Sol, e não sugam a matéria de maneira especial. A única diferença deles é que, se você cair para dentro, não sairá. Mas, assim como você pode evitar uma colisão com a Terra ou o Sol, você pode evitar cair na BH se você se mover rápido o suficiente em órbita, ou for para o lado antes de alcançar a borda [do horizonte].A essência da fusão NS é que, no momento da fusão, as forças que atuam sobre elas são tão grandes que uma ou ambas as estrelas são separadas. O material ejetado como resultado em altas velocidades e em todas as direções, de alguma forma, cria uma explosão quente de raios gama e, como resultado, a emissão de kilon brilha devido aos núcleos atômicos recém-criados. Esses detalhes ainda não estão claros para mim, mas eu sei que eles são cuidadosamente estudados usando equações aproximadas e simulações em computador . No entanto, a precisão das simulações só pode ser confirmada através de um estudo aprofundado da fusão - apenas a questão em questão no anúncio. Aparentemente, essas simulações fizeram um bom trabalho. Estou certo de que eles serão aprimorados após a comparação com os dados obtidos.