EERSTE KOSMISCHE GEBEURTENIS WAARGENOMEN IN ZOWEL GRAVITATIEGOLVEN ALS LICHT

Send

Ongeveer 130 miljoen jaar geleden, in een sterrenstelsel ver weg, kwamen twee neutronensterren in botsing. Deze gebeurtenis is nu de vijfde waarneming van zwaartekrachtgolven door de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) en Virgo-samenwerking, en de eerste die niet werd veroorzaakt door de botsing van twee zwarte gaten.

Maar deze gebeurtenis - een kilonova genoemd - produceerde ook iets anders: licht, over meerdere golflengten.

Voor het eerst in de geschiedenis is een astronomisch fenomeen voor het eerst waargenomen door zwaartekrachtsgolven en vervolgens waargenomen met telescopen. In een ongelooflijk samenwerkingsverband werkten meer dan 3.500 astronomen die 100 instrumenten gebruikten op meer dan 70 telescopen over de hele wereld en in de ruimte met natuurkundigen van de LIGO- en Virgo-samenwerking.

Wetenschappers noemen dit 'multimessenger-astronomie'.

"Samen zijn al deze waarnemingen groter dan de som van hun delen", zei Laura Cadonati, plaatsvervangend woordvoerder van LIGO tijdens een briefing vandaag. "We leren nu over de fysica van het universum, over de elementen waaruit we zijn gemaakt, op een manier die niemand ooit eerder heeft gedaan."

"Het geeft ons inzicht in hoe supernova-explosies werken, hoe goud en andere zware elementen worden gemaakt, hoe de kernen in ons lichaam werken en zelfs hoe snel het universum uitzet", zegt Manuela Campanelli, van het Rochester Institute of Technology. “Multimessenger-astronomie laat zien hoe we de oude manier met de nieuwe kunnen combineren. Het heeft de manier veranderd waarop astronomie wordt gedaan. '

Neutronensterren zijn de verbrijzelde overgebleven kernen van massieve sterren die lang geleden als supernovae zijn ontploft. De twee sterren, dicht bij elkaar gelegen in een sterrenstelsel genaamd NGC 4993, begonnen tussen 8 en 20 keer de massa van onze zon. Vervolgens met hun supernova's, elk gecondenseerd tot ongeveer 10 mijl in diameter, zo groot als een stad. Dit zijn sterren die volledig uit neutronen bestaan en die zich tussen normale sterren en zwarte gaten in grootte en dichtheid bevinden - slechts een theelepel neutronenster-materiaal zou 1 miljard ton wegen.

Ze draaiden om elkaar heen in een kosmische dans totdat ze door hun onderlinge zwaartekracht met elkaar in botsing kwamen. Die botsing veroorzaakte een vuurbal van astronomische proporties en de gevolgen van die gebeurtenis kwamen 130 miljoen jaar later op de aarde.

"Hoewel dit evenement 130 miljoen jaar geleden plaatsvond, kwamen we hier pas op 17 augustus 2017, net voor de zonsverduistering, op aarde achter", zei Andy Howell van het Las Cumbres Observatorium tijdens een persconferentie vandaag. "We hebben dit de hele tijd geheim gehouden en we gaan busten!"

Om 8.41 uur EDT voelden LIGO en Maagd de vroege trillingen van de rimpelingen van ruimtetijd, zwaartekrachtgolven. Slechts twee seconden later werd een heldere flits van gammastraling gedetecteerd door NASA's Fermi-ruimtetelescoop. Hierdoor konden onderzoekers snel bepalen in welke richting de golven kwamen.

Gealarmeerd door een Astronomers Telegram, haastten duizenden astronomen over de hele wereld zich om waarnemingen te doen en te beginnen met het verzamelen van aanvullende gegevens over de fusie van neutronensterren.

Deze animatie laat zien hoe LIGO, Maagd en ruimte- en grondtelescopen inzoomden op de locatie van zwaartekrachtgolven die op 17 augustus 2017 door LIGO en Maagd werden gedetecteerd. Door gegevens van de ruimtemissies Fermi en Integral te combineren met gegevens van LIGO en Maagd, konden wetenschappers de bron van de golven beperken tot een luchtvlakte van 30 vierkante graden. Telescopen met zichtbaar licht doorzochten een groot aantal sterrenstelsels in dat gebied, en onthulden uiteindelijk dat NGC 4993 de bron van gravitatiegolven was. (Dit evenement werd later aangeduid als GW170817.)

"Dit evenement heeft de meest nauwkeurige hemellokalisatie van alle gedetecteerde zwaartekrachtsgolven tot nu toe", zei Jo van den Brand, woordvoerder van de Virgo-samenwerking, in een verklaring. "Deze recordprecisie stelde astronomen in staat vervolgwaarnemingen uit te voeren die tot een overvloed aan adembenemende resultaten leidden."

Dit is het eerste echte bewijs dat licht en zwaartekrachtgolven met dezelfde snelheid reizen - dichtbij de lichtsnelheid - zoals Einstein voorspelde.

Er waren observatoria van zeer kleine tot de meest bekende betrokken, die snel observaties maakten. Hoewel het in eerste instantie helder was, vervaagde het evenement in minder dan 6 dagen. Howell zei dat het waargenomen licht in de eerste paar uur 2 miljoen keer helderder was dan de zon, maar dat het binnen een paar dagen vervaagde.

De Dark Energy Camera (DECam), die op de Blanco 4-meter telescoop op de Cerro Tololo Inter-American Observatory in de Chileense Andes is gemonteerd, was een van de instrumenten die de bron van het evenement hielp lokaliseren.

"De uitdaging die we elke keer tegenkomen als de LIGO-samenwerking een nieuwe waarnemingstrekker uitdraagt, is hoe we zoeken naar een bron die snel vervaagt, mogelijk zwak was om mee te beginnen en zich ergens daar bevindt", aldus Marcelle Soares-Santos , van Brandeis University tijdens de briefing. Ze is de eerste auteur op papier die het optische signaal beschrijft dat geassocieerd is met de zwaartekrachtgolven. "Het is de klassieke uitdaging om een naald in een hooiberg te vinden met als extra complicatie dat de naald ver weg is en de hooiberg beweegt."

Met de DECam konden ze snel het bronstelsel bepalen en 1.500 andere kandidaten uitsluiten die in die hooiberg aanwezig waren.

'Dingen die op deze' naalden 'lijken, komen veel voor, dus we moeten ervoor zorgen dat we de juiste hebben. Vandaag zijn we er zeker van dat we het hebben, 'voegde Soares-Santos toe.

In de zeer kleine afdeling hielp ook een kleine robotachtige 16-inch telescoop genaamd PROMPT (Panchromatic Robotic Optical Monitoring and Polarimetry Telescope) - die astronoom David Sand van de Universiteit van Arizona beschreef als "in feite een opgevoerde amateur-telescoop" - de bron. Sand zei dat dit bewijst dat zelfs kleine telescopen een rol kunnen spelen in de multimessenger-astronomie.

De bekende wordt geleid door Hubble en verschillende andere NASA- en ESA-ruimteobservatoria, zoals de Swift-, Chandra- en Spitzer-missies. Hubble legde beelden van de melkweg vast in zichtbaar en infrarood licht en was getuige van een nieuw helder object in NGC 4993 dat helderder was dan een nova maar zwakker dan een supernova. De afbeeldingen toonden aan dat het object gedurende de zes dagen van de Hubble-waarnemingen merkbaar vervaagde. Met behulp van de spectroscopische mogelijkheden van Hubble vonden de teams ook indicaties dat materiaal door de kilonova werd uitgestoten met een snelheid van slechts een vijfde van de lichtsnelheid.

'Dit is een game-changer voor astrofysica', zei Howell. "Honderd jaar nadat Einstein gravitatiegolven had getheoretiseerd, hebben we ze gezien en teruggevoerd naar hun bron om een explosie te vinden met nieuwe fysica van het soort waar we alleen maar van droomden."

Hier zijn slechts enkele inzichten die deze afzonderlijke gebeurtenis heeft gecreëerd met behulp van multimessenger-astronomie:

* Gamma stralen: Deze lichtflitsen worden nu definitief geassocieerd met samensmeltende neutronensterren en zullen wetenschappers helpen erachter te komen hoe supernova-explosies werken, legde Richard O'Shhaughnessy uit, ook van het Rochester Institute of Technology en lid van het LIGO-team. "De eerste gammastraalmetingen, gecombineerd met de zwaartekrachtsgolfdetectie, bevestigen verder de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die voorspelt dat zwaartekrachtsgolven met de snelheid van het licht moeten reizen", zei hij.

* De bron van goud en platina: "Deze waarnemingen onthullen de directe vingerafdrukken van de zwaarste elementen in het periodiek systeem", zei Edo Berger van het Harvard Smithsonian Center for Astrophysics tijdens de briefing. “De botsing van de twee neutronensterren produceerde 10 keer de massa van de aarde in alleen goud en platina. Bedenk hoe, terwijl deze materialen uit dit evenement wegvliegen, ze uiteindelijk worden gecombineerd met andere elementen om sterren, planeten, leven ... en sieraden te vormen. ”

Berger voegde nog iets toe om over na te denken: de originele supernova-explosies van deze sterren produceerden alle zware elementen tot ijzer en nikkel. Vervolgens kunnen we in de kilonova in dit ene systeem de volledige geschiedenis zien van hoe het periodociaal systeem van de zware elementen tot stand is gekomen.

Howell zei dat wanneer je de handtekeningen van de zware elementen in een spectrum splitst, je een regenboog creëert. 'Er stond dus echt een pot met goud aan het einde van de regenboog, tenminste een kilonova-regenboog', grapte hij.

* Kernfysica astronomie: "Uiteindelijk zullen meer waarnemingen zoals deze ontdekking ons vertellen hoe de kernen in ons lichaam werken," zei O’Shaughnessy. "De effecten van zwaartekracht op neutronensterren zullen ons vertellen hoe grote ballen van neutronen zich gedragen, en bijgevolg kleine balletjes van neutronen en protonen - het spul in ons lichaam dat het grootste deel van onze massa vormt"; en

* Kosmologie: - "Wetenschappers kunnen nu onafhankelijk meten hoe snel het universum uitdijt door de afstand tot het sterrenstelsel te vergelijken met de heldere lichtflits en de afstand die is afgeleid van onze gravitatiegolfwaarneming", zei O'Shaughnessy.

"Het vermogen om dezelfde gebeurtenis te bestuderen met zowel zwaartekrachtgolven als licht is een echte revolutie in de astronomie", zegt astronoom Tony Piro van de CfA. "We kunnen nu het heelal bestuderen met compleet verschillende sondes, die dingen leert die we met de een of de ander nooit zouden kunnen weten."

"Wat mij zo geweldig maakte, is dat we niet alleen zwaartekrachtsgolven hebben gedetecteerd, maar dat we licht zagen over het elektromagnetische spectrum, gezien door 70 observatoria over de hele wereld", zegt David Reitz, wetenschappelijk woordvoerder van LIGO, bij de pers van vandaag. briefing. 'Dit is de eerste keer dat de kosmos ons het equivalent van films met geluid heeft geleverd. De video is de observationele astronomie over verschillende golflengten en het geluid is gravitatiegolven. ”

Bronnen: Las Cumbres Observatory, Hubble Space Telescope, Rochester Institute of Technology, Kilonova.org, CfA, persbriefing.