U 2017. godini dvije se neutronske zvijezde spojile zajedno u galaksiji udaljenoj 130 milijuna svjetlosnih godina. Sada smo primijetili ultra brzi mlaz koji se kretao gotovo brzinom svjetlosti, što znači da je morao neometano probiti školjku protjerane materije. (BEABUDAI DESIGN)

Spajanje neutralnih zvijezda napravilo je nezaustavljiv mlaz, i kreće se gotovo brzinom svjetlosti

U 2017. godini prvi i jedini put vidjeli smo gravitacijsko spajanje neutronske zvijezde. I to postaje sve zanimljivije.

17. kolovoza 2017. na Zemlju je stigao kozmički signal koji će zauvijek promijeniti način na koji gledamo Svemir. Prije više od 100 milijuna godina, dvije neutronske zvijezde povezane u daleku galaksiju NGC 4993 dovršavale su inspiraciju i spojile se zajedno, stvarajući zadivljujuću kozmičku eksploziju. Događaj je sada poznat kao kilonova, a smatra se da je odgovoran za stvaranje najtežih elemenata prisutnih u cijelom Svemiru.

Inspiralom i spajanjem stvorena su dva signala koje smo uspjeli praktično istovremeno otkriti: gravitacijski valovi, detektirani s LIGO-om i Djevicom, te elektromagnetsko zračenje ili svjetlost, kroz čitav niz valnih duljina koje možemo primijetiti. Ali ima i nešto drugo: stvar. Danas su, u novom radu objavljenom u časopisu Science, znanstvenici utvrdili da je izrađen ogroman mlaz i još uvijek se kreće gotovo brzinom svjetlosti.

Umjetnikova ilustracija dviju neutronskih zvijezda koje se spajaju. Vreća svemirska mreža predstavlja gravitacijske valove koji se emitiraju od sudara, dok su uske zrake mlazovi gama zraka koje pucaju samo nekoliko sekundi nakon gravitacijskih valova (astronomi su otkrili kao gama-zrake). Mlaz koji su vidjeli astronomi mora se razlikovati od ovog. (DRŽAVNI UNIVERZITET NSF / LIGO / SONOMA / A. SIMONNET)

Nije iznenađenje da će događaj poput ovog stvoriti nešto tako energično. Sama Neutronove zvijezde neki su od najekstremnijih objekata koje možete zamisliti. Zamislite da uzmete neki predmet masivan kao Sunce ili još veći, i komprimirate ga u kuglicu veličine velikog grada poput Chicaga. To bi bilo poput jednog ogromnog atomskog jezgra, gdje je njegovih unutarnjih 90% jednostavno kugla čvrstih neutrona, otuda i naziv: neutronska zvijezda.

Sami, neutronske zvijezde mogu se tako brzo vrtjeti - do otprilike dvije trećine brzine svjetlosti - da stvaraju najveće poznato magnetsko polje u Svemiru: stotine milijuna puta jače od bilo kojeg magneta na Zemlji i četverolijun puta jača od magnetskog polja Zemlje. Koliko znamo, ako bi neutralnu zvijezdu učinili gušću, ona bi se srušila u crnu rupu.

Neutronska zvijezda, iako je većinom sastavljena od neutralnih čestica, proizvodi najjača magnetska polja u Svemiru, što je četiri trilijuna puta jače od polja na površini Zemlje. Kad se neutronske zvijezde spajaju, one bi trebale proizvesti i gravitacijske valove, kao i elektromagnetske potpise, a kad pređu prag od oko 2,5 do 3 solarne mase (ovisno o spin), mogu postati crne rupe ispod sekunde. (NASA / CASEY REED - DRŽAVNI UNIVERZITET PENE)

Ono što smo promatrali u 2017. godini bilo je čak i spektakularnije od same neutronske zvijezde: promatrali smo inspiraciju i spajanje dva od tih objekata. Prije nego je došlo do spajanja, znamo da su dvije neutronske zvijezde, svaka malo masivnija od našeg Sunca, bile zatvorene u binarnoj orbiti. Kako su se kretali svojim međusobnim središtem mase, emitirali su gravitacijske valove, zračeći energijom kako su im orbite postajale čvršće i brže.

Inspiracija i spajanje dviju neutronskih zvijezda, kako je ovdje prikazano, proizveli su vrlo specifičan gravitacijski valni signal. Pored toga, trenutak i nakon spajanja također su proizveli elektromagnetsko zračenje jedinstveno i prepoznatljivo koje pripada takvoj kataklizmi. (NASA / CXC / GSFC / T.STROHMAYER)

U posljednjim trenucima ovo se zračenje povećavalo i u amplitudi i u frekvenciji, a zatim su dosegli najvažniji trenutak od svega: njihove su se površine dotakle. U malom djeliću sekunde, njihova gustoća povećala se preko kritičnog praga, a odvijala se bjeloruska nuklearna reakcija gdje su kontaktirali jedni s drugima. Odjednom se zbio događaj poznat kao kilonova.

Manje od dvije sekunde nakon što su gravitacijski valovi dostigli svoj najjači, u elektromagnetskom spektru je uočen šiljak: NASA-in opservatorij gama-zraka Fermi. Ovaj događaj, poznat kao pucanje gama zraka, bio je prvi koji je ikada u korelaciji sa spajanjem neutronskih zvijezda i neutronskih zvijezda.

Galaksija NGC 4993, udaljena 130 milijuna svjetlosnih godina, ranije je snimljena. Ali tek nakon otkrivanja gravitacijskih valova 17. kolovoza 2017. godine, vidljiv je novi prolazni izvor svjetlosti: optički kolega spajanja neutronske zvijezde u neutronske zvijezde. (P. K. BLANCHARD / E. BERGER / PAN-STARRS / DECAM)

Eksplozija je mogla biti kratkotrajna, i u gravitacijskim valovima i u gama-zrakama, ali signali koje smo primili bili su spektakularno informativni. Gotovo odmah smo saznali:

  • kakve su bile mase (oko 1,3 Sunca) i udaljenosti (oko 130 milijuna svjetlosnih godina) neutronskih zvijezda,
  • što su postali nakon spajanja (zvezda koja se brzo vrti, koja se srušila na crnu rupu za manje od sekunde),
  • koliko je mase postalo crna rupa (oko 95%),
  • i što se dogodilo s ostatkom mase (postali su najteži elementi periodičke tablice, uključujući zlato, platinu, uran i plutonij).
Kad se dvije neutronske zvijezde spajaju, kako se ovdje simulira, one bi trebale stvoriti mlazne rakete, kao i druge elektromagnetske pojave koje bi, ako su dovoljno blizu Zemlje, mogle biti vidljive u nekim od naših najvećih opservatorija. (NASA / ALBERT EINSTEIN INSTITUT / ZUSE INSTITUT BERLIN / M. KOPPITZ I L. REZZOLLA)

Ali još nismo bili gotovi. Ostalo je i naknadno sjaj, koje je postalo vidljivo teleskopima različitih valnih duljina širom svijeta. Rendgenski, ultraljubičasti, optički, infracrveni i radio teleskopi svi su gledali ovaj prvi takav događaj, neprekidno ga prateći tjednima. Svjetlosni sjaj, kako smo odlazili na sve dulje i dulje valne duljine, osvjetljavao se kako vrijeme prolazi, a zatim je izblijedio u većini frekvencija na kojima smo mogli gledati.

Uspjeli smo kvantificirati proizvodnju različitih elemenata. Na primjer, stvoreno je oko 10⁴⁶ atoma zlata, ili deset četverlijuna puta toliko koliko smo minirali u cijeloj ljudskoj povijesti. Saznali smo da su dvije neutronske zvijezde nastale prije otprilike 11+ milijardi godina i nadahnule su od tada, sve do trenutka kad su se spojile. Saznali smo da je većina najtežih elemenata u Svemiru načinjena u sudarima neutronskih zvijezda poput ovog.

Dvije zvezde koje se spajaju, kako je prikazano ovdje, rade spiralno i emitiraju gravitacijske valove, ali stvaraju signal mnogo niže amplitude od crnih rupa. Stoga se mogu vidjeti samo ako su jako bliski, i samo tijekom vrlo dugog vremena integracije. Izbacivanje s vanjskih slojeva spajanja izbacivalo je dugi niz mjeseci bogat izvor elektromagnetskog signala. (DANA BERRY / SKYWORKS DIGITAL, INC.)

Ali još uvijek nismo bili gotovi. Iako su signali zaledili u cijelom elektromagnetskom spektru, trebalo je još znanosti. Većina svjetlosti dolazila je od radioaktivnog raspada materijala koji je ubrizgan u međuzvjezdani medij koji okružuje mjesto sudara, i - kao što biste i očekivali od bilo čega s poluživotom - većina propadanja dogodila se rano, i brzo odustao.

Ali tada, nekoliko tjedana nakon sudara, došlo je do ponovnog pojavljivanja i X-zraka i radio valova, a ovaj poboljšani novi signal trajao je mjesecima. U početku se teoretiziralo da je od sudara izbačen materijal, a razbijao se plinom koji je već postojao u međuzviježđom mediju. Ta interakcija pružila je ubrizgavanje energije, otišla je linija misli i to je odgovorno za ponovno pojavljivanje sjaja koji je prije izblijedio.

Tijekom inspiracije i spajanja dviju neutronskih zvijezda, potrebno je osloboditi ogromnu količinu energije, zajedno s teškim elementima, gravitacijskim valovima i elektromagnetskim signalom, kako je ovdje prikazano. Ali ono što je bilo veliko iznenađenje bilo je drugo, kasnije praska dva relativistička mlaza koji su nastali nakon spajanja. (NASA / JPL)

U najboljim slučajevima znanosti, mi jednostavno ne iznosimo vjerovatno objašnjenje i slučaj smatramo zaključenim. Tražimo daljnje informacije kako bismo testirali naše ideje i utvrdili imaju li vodu ili ne. Koliko god teorije bile snažne i napredne, apsolutno ih moramo suočiti s eksperimentalnim ili opažačkim podacima ili u stvari uopće ne radimo znanost.

Najimpresivniji dio novog istraživanja koje je tek objavljeno jest da sadrži fantastičan niz podataka. Pomoću niza od 32 pojedinačna radio-teleskopa, raspoređenih na 5 kontinenata, i istodobno promatrajući iste objekte, znanstvenici su mogli promatrati radio-svjetlucanje kao nikad do sada. Primjenjujući tehniku ​​vrlo dugotrajne interferometrije (VLBI) sa svijetlim izvorom poput ovog, postigli su neviđenu razlučivost.

Niz 32 radio-teleskopa na pet zasebnih kontinenata korišten je za izravno snimanje posljedica spajanja neutronskih zvijezda u NGC 4993, omogućujući astronomima da razriješe strukturirane mlazove koji izlaze iz točke interakcije, iako su bili manje od svjetlosne godine , (PAUL BOVEN)

Rezolucija je ono što vam je potrebno ako želite odrediti oblik ili konfiguraciju udaljenog izvora u Svemiru. Obično dobivate bolju razlučivost izgradnjom većeg teleskopa, jer broj valnih duljina svjetla koji odgovara njemu određuje kutnu veličinu onoga što možete riješiti.

Ali pomoću tehnike VLBI, možete još bolje ako je vaš izvor dovoljno svijetao. Sigurno ćete dobiti samo snagu prikupljanja svjetlosti veličine vašeg pojedinog posuđa, ali možete dobiti i razmak udaljenosti između različitih teleskopa. Ovo je tehnika koju teleskop Event Horizon koristi kako bi konstruirao svoju prvu sliku obzora događaja crne rupe, a to je tehnika koja je astronomima omogućila da odrede oblik onoga što je rezultiralo nakon spajanja neutronske zvijezde sa neutronom.

Umjetnikov dojam mlaznice koji izbija iz materijala izbačenog spajanjem neutronskih zvijezda. Mlaz proizvodi crna rupa, okružena vrućim diskom, koji je nastao nakon spajanja. (O.S. SALAFIA, G. GHIRLANDA, NASA / CXC / GSFC / B. WILLIAMS ET AL.)

Na čelu s Giancarlo Ghirlanda kombinirano je nevjerojatnih 207 dana podataka što je omogućilo astronomima da vide što je stvoreno tijekom vremena.

Rezultat je bio spektakularan: spajanje je proizvelo strukturirani mlaz materijala koji je u dvije anti-paralelne linije odletio od mjesta sudara. Iako su mnogi znanstvenici očekivali da će se stvoriti neka vrsta kokona ili nešto što će ograničiti sve proizvedene mlazove, podaci govore drugačije. Umjesto toga, ovaj strukturirani mlaz probio se kroz sav materijal izbačen u spajanju i nastavio naglo pobjeći u međuzvjezdani prostor gotovo brzinom svjetlosti. Bilo je to kao da ga ništa uopće ne bi moglo usporiti.

Druga po veličini crna rupa koja se vidi sa Zemlje, ona u središtu galaksije M87, oko 1000 puta je veća od crne rupe Mliječnog puta, ali je udaljena više od 2000 puta. Relativistički mlaz koji izlazi iz njegove središnje jezgre jedan je od najvećih, kolimiziranih ikad promatranih. (ESA / HUBBLE I NASA)

Kako možete napraviti ovaj mlaz? Vidjeli smo ih samo iz jednog drugog izvora: iz crnih rupa koje se hrane materijom. To mora biti trag koji rješava zagonetku! Ne radi se o tome da je samo spajanje stvorilo mlaz, već da je dovršeno spajanje stvorilo crnu rupu, a ta okretna crna rupa ubrzala je materiju oko nje, proizvodeći mlazove koje smo vidjeli nakon toga. Objašnjava zašto je došlo do zatamnjenja nakon čega je uslijedio drugi krug osvjetljavanja, a objašnjava kolimitiranu strukturu i fantastično velike energije i brzine. Bez središnje crne rupe, ne postoji poznati način kako to učiniti.

Ovo je, možda, dugoočekivani dokaz da su ove spajajuće neutronske zvijezde, promatrane 2017. godine, morale stvoriti crnu rupu. Na temelju našeg trenutnog razumijevanja svemira, nismo mogli biti sigurniji.

U posljednjim trenucima spajanja, dvije neutronske zvijezde ne emitiraju samo gravitacijske valove, već i katastrofalnu eksploziju koja odjekne elektromagnetskim spektrom. Istovremeno, stvara niz teških elemenata prema vrlo visokom kraju periodičke tablice. Nakon tog spajanja, oni su se morali smjestiti u crnu rupu, koja je kasnije proizvela kolimitirane, relativističke mlazove koji su probili okolnu materiju. (UNIVERZITET WARWICK / MARK GARLICK)

U znanosti su ponekad najbolji rezultati oni koje niste očekivali. Mogli smo pretpostaviti da će spajanje neutronskih zvijezda stvoriti najteže elemente od svih, ali nitko nije vidio strukturirani mlaz koji izlazi iz crne rupe nakon toga kao nešto što bi se trebalo dogoditi. Pa ipak, tu smo mi, žanjeći darove Svemira. To je podsjetnik iz nas kozmosa: onog dana kad zaustavimo svoja znanstvena ispitivanja prestajemo otkrivati ​​tajne koje stoje na osnovi našeg postojanja.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.