Observatorium LIGO, yang penciptanya menerima Hadiah Nobel 2017, telah mengubah dunia astronomi. Ketika saintis dari komuniti saintifik antarabangsa LIGO menemui gelombang graviti pertama pada tahun 2016, mereka menemui cara baru untuk memerhatikan alam semesta. Buat pertama kalinya, para saintis dapat "mendengarkan" turun naik ruang-waktu yang timbul dari perlanggaran objek besar (contohnya, lubang hitam).
Tetapi itu baru permulaan. Tujuannya adalah untuk menggabungkan pemerhatian gelombang graviti dengan data dari teleskop yang lebih konvensional.
Pada bulan Oktober 2017, dalam Physical Review Letters, pasukan saintis LIGO, yang merangkumi beberapa ribu orang di seluruh dunia, menerbitkan satu siri makalah mengenai penemuan yang luar biasa. Para penyelidik bukan sahaja dapat mengesan gelombang graviti dari perlanggaran dua bintang neutron, tetapi juga untuk menentukan koordinatnya di langit, serta memerhatikan fenomena tersebut melalui teleskop optik dan elektromagnetik.
"Ini adalah salah satu kisah yang paling lengkap mengenai fenomena astrofizik yang dapat dibayangkan," kata ahli fizik Peter Solson dari Universiti Syracuse dan anggota komuniti LIGO.
Setiap sumber menceritakan bahagian ceritanya sendiri
Gelombang graviti memberitahu ahli fizik tentang ukuran dan jarak objek, yang membolehkan mereka mencipta semula momen sebelum bertembung. Pemerhatian terhadap radiasi yang dapat dilihat dan gelombang elektromagnetik kemudian mengisi jurang yang tidak dapat dijelaskan oleh gelombang graviti. Mereka membantu ahli astronomi mengetahui objek apa yang dibuat dan unsur kimia apa yang berasal dari perlanggaran tersebut. Dalam kes kami, saintis dapat menyimpulkan bahawa letupan semasa penggabungan bintang neutron menyebabkan kemunculan unsur-unsur berat - emas, platinum dan uranium (yang sebelumnya hanya diasumsikan, tetapi tidak dapat disahkan melalui pemerhatian langsung).
Kini para saintis berjaya melihat dengan mata mereka sendiri alkimia alam semesta dalam tindakan. "Saya rasa kesan penemuan ini pada sains akan lebih ketara daripada pengesanan lubang hitam pertama dengan menggunakan gelombang graviti," kata Duncan Brown, saintis lain dari komuniti LIGO dan Universiti Syracuse. "Banyak aspek fizik dan astronomi yang terlibat di sini." Dan semua ini adalah hasil dari pencarian harta karun di antara bintang-bintang, di mana seluruh dunia terlibat.
Video promosi:
Berlumba dengan masa. Tempat bertanda salib
Pada 17 Ogos jam 8:41 pagi, LIGO mengesan gelombang graviti - kelengkungan masa dan ruang - yang melalui Bumi. LIGO adalah dua observatorium berbentuk L. di negara-negara AS Louisiana dan Washington. Mereka dapat mendaftarkan gelombang yang memampatkan dan meregangkan kontinum ruang-waktu.
Sejak dua tahun kebelakangan ini, LIGO dapat mengesan gelombang graviti yang dihasilkan oleh lubang hitam bertembung. Tetapi isyarat pada 17 Ogos agak berbeza. Ternyata jauh lebih kuat daripada apa yang direkam ketika lubang hitam ditemui. Isyarat baru berlangsung 100 saat, sementara isyarat dari lubang hitam hanya beberapa. Ini bermaksud bahawa perlanggaran berlaku lebih dekat dengan Bumi.
Apabila LIGO mengesan gelombang graviti, ia secara automatik mengirimkan pemberitahuan kepada beratus-ratus saintis di seluruh dunia. Duncan Brown adalah salah satu daripadanya. Kami menerima amaran telefon dengan sangat cepat dan menyedari bahawa ini adalah isyarat gelombang graviti yang tidak dijangka kuat. Ini mengejutkan kami,”kenangnya.
Segera menjadi jelas bahawa ini bukan penggabungan lubang hitam. Analisis awal menunjukkan bahawa gelombang berasal dari perlanggaran dua bintang neutron - objek dengan ketumpatan yang sangat tinggi. Adalah dipercayai bahawa unsur kimia berat terbentuk di dalamnya.
Apabila LIGO mengesan gelombang graviti dari lubang hitam bertembung, tidak ada yang dapat dilihat di langit: lubang hitam, seperti namanya, gelap. Bagaimana dengan perlanggaran dua bintang neutron? Tontonan itu mestilah seperti bunga api berwarna-warni.
Balai Cerap Sarah Wilkinson / Las Campanas
Oleh itu, dua saat selepas isyarat LIGO, teleskop ruang angkasa Fermi NASA mengesan letupan sinar gamma - salah satu letupan tenaga letupan paling kuat di Alam Semesta yang diketahui oleh kita. Sejak sekian lama, ahli astronomi telah membina teori bahawa penggabungan bintang neutron boleh menyebabkan pecah sinar gamma. Dan sekarang ini bukan kebetulan.
Pada masa yang sama, cahaya dari peleburan peledak seperti itu cepat redup. Penghitungan berlangsung selama beberapa minit, dan saintis dari komuniti saintifik antarabangsa LIGO terpaksa bergegas. "Semakin cepat anda mencapai teleskop, semakin banyak maklumat yang anda dapat," kata Brown. Dari kajian cahaya dan perubahannya, saintis dapat memperoleh banyak maklumat yang akan membantu mereka memahami bintang neutron dengan lebih baik dan bagaimana mereka menggabungkan bahan perubahan.
Brown dan rakan-rakannya mula bekerja, mengatur telekonferensi dengan puluhan saintis di seluruh dunia. Pasukan LIGO bekerjasama dengan rakan kongsi dari VIRGO, sebuah observatorium gelombang graviti Itali, untuk bekerja dengan usaha berganda untuk memetakan langit dan mencari sumber gelombang graviti. Mereka menyempitkan pencarian mereka ke kawasan bersaiz kepalan tangan dengan panjang lengan. (Dari sudut pandang astronomi, bahkan wilayah ini adalah ruang yang sangat besar. Kawasan peta dengan kepala mancis pada jarak lengan boleh berisi ribuan galaksi.) Pengesan VIRGO di Itali tidak mengambil isyarat, yang membantu menentukan kedudukan bintang-bintang. VIRGO tidak mempunyai zon penerimaan, oleh itu bintang-bintang neutron seharusnya berada berdekatan dengan salah satu daripadanya.
Peta langit ini adalah hasil gabungan maklumat dari Fermi, LIGO, VIRGO dan Integral (sebuah lagi balai cerap sinar gamma). Setiap pengesan menyediakan kawasan di mana isyarat boleh berlaku. Di mana mereka bertindih, tempat yang ditandai dengan salib pada peta harta karun ditunjukkan.
Peta di tangan, pasukan LIGO menghantar e-mel kepada ahli astronomi di seluruh dunia yang dapat menjelajahi kawasan langit ini ketika malam menjelang.
Dan tuah tidak melaluinya! Beberapa pemerhati darat dapat mengesan kedudukan kilon (atau makron) - letupan dari perlanggaran dua bintang neutron. Foto di sebelah kiri menunjukkan apa yang diambil oleh para astronom pada malam pembukaan. Di sebelah kanan adalah bagaimana ia kelihatan beberapa hari kemudian. Letupan itu semakin redup.
1M2H / UC Santa Cruz dan Carnegie Observatory / Ryan Foley
Ini adalah bagaimana galaksi itu kelihatan beberapa minggu sebelum pembentukan kilonova (gambar atas). Gambar bawah menunjukkan letupan.
Kolaborasi Kamera Tenaga Gelap GW-EM dan Kolaborasi DES / Berger
Gambar mungkin kelihatan kabur, tetapi terdapat banyak maklumat pada mereka. Dengan koordinat yang tepat, para saintis dapat menyesuaikan Teleskop Angkasa Hubble dan Observatorium X-ray Chandra Space untuk meletup kilonova. Dengan bantuan alat ini, ahli astronomi akan dapat melihat proses alam semesta dengan satu mata.
Bagaimana bintang neutron bertembung mencipta emas
Bintang neutron adalah badan kosmik yang tidak biasa. Mereka terbentuk akibat keruntuhan bintang graviti (misalnya, semasa letupan supernova) dan mempunyai ketumpatan yang sangat tinggi. Bayangkan objek dengan jisim seperti Matahari, tetapi berdiameter hanya 25 kilometer. Ini adalah 333.000 jisim seluruh Bumi, yang dimampatkan menjadi bola seukuran Daerah Tengah Moscow. Tekanan di dalamnya sangat besar sehingga hanya neutron (proton yang disatukan dengan elektron) yang dapat wujud di sana.
Dalam galaksi 130 juta tahun cahaya, dua objek seperti itu "menari" di antara satu sama lain, bergerak di orbit dan semakin dekat. Mereka bertembung, dan tenaga yang dilepaskan melalui alam semesta mengirimkan gelombang yang memutarbelitkan masa dan ruang, dan aliran zarah (ledakan sinar gamma yang dikesan bersama dengan gelombang graviti). Kedua gelombang graviti dan sinar gamma bergerak dengan kelajuan cahaya. Ini adalah bukti lain mengenai teori relativiti umum Albert Einstein. Ada kemungkinan bahawa setelah penggabungan, bintang-bintang neutron membentuk lubang hitam baru, kerana jisimnya cukup. Namun, belum ada maklumat yang cukup untuk pernyataan yang jelas.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Tetapi satu perkara sudah dapat dikatakan dengan pasti: selepas letupan itu, banyak neutron yang tinggal bergabung dan membentuk unsur kimia.
Semua kita dan setiap elemen di Bumi terbuat dari bintang. Sebagai hasil daripada Big Bang pada awal waktu, unsur-unsur yang sangat ringan terbentuk - hidrogen dan helium. Unsur-unsur ini digabungkan untuk membentuk bintang, di dalamnya, semasa tindak balas pelakuran, unsur-unsur dengan jisim yang lebih besar dan lebih besar muncul.
Ketika bintang menjadi supernova (runtuh dan letupan berikutnya), unsur-unsur yang lebih berat diciptakan. Namun, menurut Brown, penampilan emas dan platinum telah lama menjadi misteri. Bahkan letupan supernova tidak cukup kuat untuk mencetuskannya.
Terdapat teori bahawa bintang kilon (terbentuk oleh penggabungan dua bintang neutron) mampu menghasilkan logam ini. Dan kerana para astronom dapat menentukan tepat waktu di mana penggabungan itu berlaku, mereka mengesahkan teori ini. Warna dan kualiti cahaya yang tersisa setelah letupan mengesahkan pembentukan emas dan platinum. Para saintis seolah-olah menyaksikan alkimia beraksi.
"Emas di Bumi pernah diciptakan setelah letupan nuklear dari penggabungan [bintang neutron]," jelas Brown. - Sekarang saya mempunyai cincin perkahwinan platinum di jari saya. Anggap saja, ia muncul kerana pelanggaran bintang neutron!"
Era baru dalam astronomi akan datang
Penemuan yang dijelaskan menandakan permulaan era baru dalam astronomi. Para saintis akan dapat mengkaji benda-benda langit bukan hanya dengan bantuan cahaya dan radiasi yang mereka pancarkan, tetapi juga menggabungkan pemerhatian ini dengan maklumat yang diperoleh semasa analisis gelombang graviti. Maklumat ini mengandungi bagaimana kedua-dua bintang neutron bergerak di antara satu sama lain ketika perlanggaran berlaku, serta sejumlah besar maklumat mengenai akibatnya.
Di sebelah kanan - visualisasi bahan bintang neutron. Di sebelah kiri - penyelewengan ruang-waktu berhampiran letupan. Karan Janey / Institut Teknologi Georgia
Gabungan semua sumber maklumat disebut astronomi multichannel, iaitu astronomi berdasarkan penambahan pemerhatian spektrum elektromagnetik dengan pemerhatian gelombang graviti. Ini telah menjadi impian para saintis LIGO sejak balai cerap ini ditubuhkan.
"Bayangkan tinggal di bilik tanpa tingkap dan yang boleh anda lakukan hanyalah mendengar petir tetapi tidak melihat kilat," jelas Vicki Kalogera, ahli astrofizik di Universiti Northwestern dan anggota komuniti LIGO. - Sekarang bayangkan bahawa anda dipindahkan ke bilik dengan tingkap. Mulai sekarang, anda bukan sahaja mendengar guruh, tetapi juga melihat kilat. Kilat memberikan peluang yang sama sekali baru untuk mengkaji ribut petir dan memahami apa yang sebenarnya berlaku."
Gelombang graviti bergemuruh. Memerhatikan letupan melalui teleskop - kilat.
Baru sebulan yang lalu, ketiga-tiga pengasas LIGO menerima Hadiah Nobel dalam Fizik untuk karya perintis mereka. Seperti yang diperhatikan oleh Ed Young dari The Atlantic, pemberian penghargaan kepada tiga daripada ratusan yang telah memberikan sumbangan yang besar dalam projek LIGO menimbulkan situasi yang janggal dan kontroversial. Namun, hasil terbaru menunjukkan bahawa hadiah untuk karya ilmiah layak.
Perkara terbaik untuk memerhatikan gelombang graviti adalah prosesnya pasif. LIGO dan VIRGO akan "mendengar" sebarang gelombang graviti yang melintasi Bumi pada hari yang sama. Setiap isyarat menandakan permulaan pencarian baru untuk "harta karun", kerana para saintis perlu memahami apa yang menyebabkan turun naik dalam ruang-waktu.
Ahli astronomi berharap dapat melihat lebih banyak penggabungan kedua-dua lubang hitam dan bintang neutron. Tetapi fenomena yang lebih menarik dapat ditemui. Sekiranya pemerhatian LIGO dan VIRGO terus meningkat, ada kemungkinan untuk mengesan gelombang graviti yang tersisa dari Big Bang. Atau, lebih menarik lagi, pemerhatian ini akan dapat mengesan sumber gelombang graviti yang sebelumnya tidak diketahui dan tidak dapat diramalkan.
"Saya sedih kerana saya dilahirkan setelah pendaratan manusia pertama di bulan," kata Thomas Corbitt, ahli fizik dan anggota komuniti LIGO di Louisina State University. - Tetapi apabila anda menjadi saksi peristiwa seperti ini, yang menjadi bukti kejayaan besar aktiviti bersama, inspirasi muncul. Mereka memberi kita lebih banyak pengetahuan mengenai Alam Semesta."
Artikel asal dalam bahasa Inggeris boleh didapati di sini.
