Ciocnirea stelelor cu neutroni acoperă universul cu o mulțime de descoperiri

Vizualizați videoclipul

WASHINGTON — Două nuclee ultradense de stele moarte au produs o coliziune cosmică mult așteptată, împrăștiind oamenii de știință cu bogății.

Evenimentul a fost prima observare directă a unei spărturi de stele neutronice, care se formează atunci când stelele îmbătrânite explodează și lasă în urmă o rămășiță bogată în neutroni. În urma coliziunii, reziduurile de agitare au forjat aur, argint, platină și alte elemente grele, cum ar fi uraniul, au raportat cercetătorii pe 16 octombrie, la o conferință de presă la Washington, DC. Locurile de naștere ale acestor elemente erau necunoscute anterior, dar originile lor. au fost dezvăluite de strălucirea cataclismului.

„Este cu adevărat ultima piesă care lipsește” din tabelul periodic, spune Anna Frebel, astronom la MIT care nu a fost implicată în cercetare. „Acesta este raiul pentru oricine lucrează pe câmp.” După ciocnire, de aproximativ 10 ori masa de aur a Pământului a fost aruncată în spațiu, au calculat unii oameni de știință.

Folosind datele adunate de aproximativ 70 de observatoare diferite, astronomii au caracterizat evenimentul cu detalii deosebite, lansând o serie de lucrări care descriu rezultatele. Un tremur de unde gravitaționale, observat de Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru cu laser avansat, LIGO, pe 17 august, a oferit primul semn al cataclismului.

„Deja ne transformă înțelegerea universului, cu o narațiune proaspătă a fizicii stelelor în chinurile lor”, a declarat France Córdova, directorul Fundației Naționale de Știință, care finanțează LIGO.

O secvență de diferite tipuri de radiații electromagnetice a urmat acel tril gravitațional, precum instrumentele muzicale care se pe rând într-o simfonie. O explozie de raze gamma s-a transformat într-o strălucire de lumină vizibilă și infraroșie, observată pentru prima dată la aproximativ 12 ore după spargere. Mai mult de o săptămână mai târziu, pe măsură ce acele lungimi de undă s-au îndepărtat, razele X au crescut, urmate de undele radio.

Combinarea undelor gravitaționale cu lumina de la fuziunea unei stele cu neutroni este un vis de mult timp al astrofizicienilor. „Imaginea pe care o puteți pune împreună având toate aceste surse este sinergică”, spune purtătorul de cuvânt al LIGO, David Shoemaker de la MIT. „Puteți face concluzii care altfel ar fi imposibile.”

Această imagine detaliată a dezvăluit funcționarea interioară a coliziunilor stelelor neutronice și sursa unor explozii scurte de lumină de înaltă energie numite explozii scurte de raze gamma. Cercetătorii au calculat, de asemenea, cât de repede se extinde universul și au testat proprietățile materialului ciudat din stelele neutronice.

Pentru astrofizicieni, „acest eveniment este piatra Rosetta”, spune Richard O’Shaughnessy, membru LIGO, de la Institutul de Tehnologie Rochester din New York.

Cele două detectoare ale LIGO, situate în Statele Unite, au înregistrat un semn inconfundabil al răsturnării: o mișcare a spațiului în sine care a continuat aproximativ 100 de secunde înainte de a se întrerupe. A fost cea mai puternică și mai lungă serie de ondulații spațiu-timp pe care LIGO a văzut-o vreodată. În acel moment, oamenii de știință știau că au ceva mare, spune membrul LIGO Vicky Kalogera de la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois. „E-mailurile care au fost distribuite spuneau: „O, Doamne, asta este.””

Acea vibrație era un indiciu al unei prăbușiri cosmice: învârtindu-se unul în jurul celuilalt, ca și cum ar fi într-un carusel nenorocit, două stele neutronice în orbită s-au apropiat din ce în ce mai mult în spirală, până când au convergit. Stelele cu neutroni, ale căror mase erau între 1,17 și 1,60 de ori mai mari decât cele ale soarelui, probabil s-au prăbușit într-o gaură neagră, deși oamenii de știință LIGO nu au putut determina cu siguranță soarta stelelor. LIGO a observat anterior fuziuni de găuri negre învolburate cu mase de zeci de ori mai mari decât cele ale soarelui (SN Online: 9/27/17); masele mai mici ale duo-ului care orbitează arătau cu degetul spre stelele neutronice. Și pentru că nu se așteaptă că găurile negre să emită lumină, focurile de artificii arată că au solidificat cazul stelelor neutronice.

Experimentul sora LIGO din Italia, Advanced Virgo, a văzut doar un semnal slab. Acea detectie relativ slaba a ajutat la restrângerea locului unde s-a produs convulsia la „o parte a cerului care era un punct orb al Fecioarei”, spune Kalogera. Acest lucru a restrâns situl într-o regiune de aproximativ 30 de grade pătrate pe cerul sudic.

La doar 1,7 secunde după semnalul undei gravitaționale, telescopul spațial Fermi de la NASA a observat o licărire de raze gamma în aceeași vecinătate a cerului. Între timp, alte telescoape au intrat în acțiune, captând o strălucire acolo unde niciuna nu mai fusese înainte. „Am văzut ceea ce părea o stea nouă”, spune astronomul Edo Berger de la Universitatea Harvard, care a condus o echipă care a observat lumina cu DECam pe telescopul Blanco din Chile. Berger’s a fost una dintre mai multe echipe care au observat lumina exploziei. Această detectare a identificat galaxia NGC 4993, la 130 de milioane de ani lumină de Pământ, în constelația Hydra, drept locul coliziunii. „A existat un moment de neîncredere: Uau, chiar am făcut-o. L-am găsit”, spune Berger.

Povestea continuă sub grafic

Acea strălucire a dezvăluit și o poveste uimitoare a alchimiei stelare: odată cu moartea stelelor a venit și nașterea elementelor. Pe măsură ce coliziunea a împins material bogat în neutroni în spațiu, s-a format o grămadă de elemente grele, printr-un lanț de reacții numit proces r (SN: 14.05.16, p. 9). În acest proces, care necesită un mediu plin de neutroni, nucleele atomice înghitează rapid neutroni și se descompun radioactiv, transformându-se astfel în noi elemente, înainte de a-și relua defileul neutronilor. Se crede că procesul r produce aproximativ jumătate din elementele mai grele decât fierul.

Oamenii de știință au detectat strălucirea caracteristică a acestui proces, numită kilonova, în observațiile ulterioare. „Până la acest eveniment, nu am văzut niciodată în mod direct nicăieri în natură aceste elemente grele fiind falsificate. Acum avem”, spune Brian Metzger, un astrofizician teoretic la Universitatea Columbia. „Este un sentiment ca și cum ai fi descoperit un fel de secret al naturii.”

Anterior, astrofizicienii nu erau de acord cu privire la locul unde are loc procesul r: doi candidați de top erau stele care explodau numite supernove (SN: 18.2.17, str. 24) și fuziuni de stele de neutroni. Deși oamenii de știință nu pot spune încă dacă toate elementele procesului r sunt produse în fuziunile stelelor neutronice, cantitatea pe care ar trebui să o producă astfel de coliziuni pare suficient de mare pentru a explica abundența găsită în univers.

Povestea continuă sub grafic

Bogății suplimentare au fost dezvăluite de razele gamma. Oamenii de știință au observat un fenomen numit explozie scurtă de raze gamma, o explozie scurtă de lumină de înaltă energie, de mai puțin de două secunde. Astfel de paroxisme sunt relativ frecvente, apărând pe cer de aproximativ 50 de ori pe an. Dar găsirea sursei lor este „o problemă de lungă durată în astrofizică”, spune astrofizicianul teoretic Rosalba Perna de la Universitatea Stony Brook din New York. Detectarea l-a învins: exploziile scurte de raze gamma provin de la stele de neutroni tête-à-têtes.

Studiind modul în care stelele de neutroni s-au spiralat spre interior, astrofizicienii au testat, de asemenea, pentru prima dată „sprăvirea” materialului stelelor neutronice. Această substanță extremă este atât de densă încât o linguriță de ea ar avea o masă de aproximativ un miliard de tone metrice, iar oamenii de știință nu înțeleg pe deplin cum reacţionează atunci când este storsă, o proprietate cunoscută sub numele de „ecuația de stare”. Măsurarea acestei proprietăți ar putea oferi oamenilor de știință o mai bună înțelegere a materialului ciudat. Deși rezultatele nu au putut stabili dacă stelele cu neutroni erau zdrobite, unele teorii care preziceau stele cu neutroni ultrasquishy au fost excluse.

Unirea stelelor neutronice a oferit cercetătorilor posibilitatea de a măsura viteza de expansiune a universului, măsurând distanța coliziunii folosind unde gravitaționale și comparând aceasta cu cât de mult a fost întinsă lungimea de undă a luminii din galaxie prin expansiune. Oamenii de știință au măsurat anterior această proprietate, cunoscută sub numele de constanta Hubble, prin alte mijloace. Dar acele măsurători sunt în dezacord, lăsând oamenii de știință să se chinuie să explice discrepanța (SN: 8/6/16, str. 10).

Acum, oamenii de știință au „o măsurătoare total diferită, independentă”, spune Daniel Holz, membru al colaborării LIGO, de la Universitatea din Chicago. Noua măsurătoare indică faptul că galaxiile îndepărtate se împrăștie la o viteză de aproximativ 70 de kilometri pe secundă pentru fiecare megaparsec dintre ele. Se încadrează perfect între cele două estimări anterioare: 67 și 73 km/s per megaparsec. Deși această coliziune nu poate rezolva încă dezbaterea, viitoarele fuziuni ar putea ajuta la îmbunătățirea măsurării.

„Toate acestea sunt progrese majore, incredibile”, spune Holz. „A fost într-adevăr acest fior nebunesc.”

Emoția nu se stinge încă. Luați-o de la astronomul Ryan Foley de la Universitatea din California, Santa Cruz, a cărei echipă a fost prima care a observat lumina vizibilă din fuziune: „Aceasta este cu siguranță cea mai mare descoperire din cariera mea și probabil va fi cea mai mare descoperire din întreaga mea viață. ”

Cercetătorii au anunțat pe 16 octombrie că Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) și experimentul său soră, Advanced Virgo, au detectat unde gravitaționale de la ciocnirea stelelor neutroni – un accident cosmic observat și de peste 70 de observatoare din întreaga lume. H. Thompson/Science News/YouTube

Nota editorului: această poveste va fi actualizată pe parcursul zilei pe măsură ce devin disponibile mai multe informații.