اكتشف العلماء الروس، كجزء من التعاون بين LIGO وVirgo، لأول مرة موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين. وهذا هو الحدث الكوني الأول الذي يتم رصده في كل من موجات الجاذبية والكهرومغناطيسية. وتم تقديم هذا الاكتشاف اليوم في مؤتمرات صحفية في واشنطن وموسكو. سيتم نشر النتائج أيضًا في مجلة Physical Review Letters.
بعد أسبوعين من منح جائزة نوبل في الفيزياء لثلاثة باحثين أمريكيين لاكتشافهم موجات الجاذبية، أعلن مرصد LIGO (مرصد موجات الجاذبية التداخلي بالليزر، الولايات المتحدة) وVirgo (مرصد مماثل في إيطاليا) عن اكتشافهما للمرة الأولى. موجات الجاذبية الزمنية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين، وقد لوحظت هذه الظاهرة بمقاييس التداخل الليزرية التي تسجل موجات الجاذبية، وذلك باستخدام المراصد الفضائية (إنتجرال، فيرمي) والتلسكوبات الأرضية التي تسجل الإشعاع الكهرومغناطيسي. في المجمل، تمت ملاحظة هذه الظاهرة من قبل حوالي 70 مرصدًا أرضيًا وفضائيًا حول العالم، بما في ذلك شبكة MASTER من التلسكوبات الآلية (جامعة إم في لومونوسوف موسكو الحكومية).
"تم أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام الثقوب السوداء بواسطة مرصد LIGO منذ حوالي عامين. تم فتح نافذة جديدة على الكون. يقول فاليري ميتروفانوف، الأستاذ في كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية: "إننا نرى بالفعل الفرص غير المسبوقة التي توفرها هذه القناة الجديدة للحصول على المعلومات جنبًا إلى جنب مع علم الفلك التقليدي للباحثين".
في 17 أغسطس، اكتشف كلا كاشفي LIGO إشارة جاذبية تسمى GW170817. لقد أدت المعلومات التي قدمها كاشف برج العذراء الثالث إلى تحسين توطين الحدث الكوني بشكل كبير. في نفس الوقت تقريبًا (حوالي ثانيتين بعد موجات الجاذبية)، اكتشف تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي التابع لناسا ومختبر إنتيجرال الدولي للفيزياء الفلكية لأشعة جاما (INTEGRAL) انفجارات أشعة جاما. وفي الأيام التالية، تم تسجيل الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاقات أخرى، بما في ذلك الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو.
وأظهرت الإشارات الصادرة عن كاشفات LIGO أن موجات الجاذبية المكتشفة انبعثت من جسمين فيزيائيين فلكيين يدوران بالنسبة لبعضهما البعض ويقعان على مسافة قريبة نسبيا، حوالي 130 مليون سنة ضوئية، من الأرض. وتبين أن هذه الأجسام كانت أقل كتلة من الثقوب السوداء الثنائية التي اكتشفها مرصدا ليجو وفيرجو سابقًا. وتم حساب كتلتها بما يتراوح بين 1.1 و1.6 كتلة شمسية، وهو ما يقع ضمن نطاق كتلة النجوم النيوترونية، أصغر النجوم وأكثرها كثافة. يبلغ نصف قطرها النموذجي 10-20 كيلومترًا فقط.
وبعد تلقي الإحداثيات، تمكنت المراصد خلال ساعات قليلة من البدء في البحث في منطقة السماء التي يفترض أن الحدث وقع فيها. تم اكتشاف نقطة مضيئة جديدة تشبه المستعر بواسطة التلسكوبات البصرية. وفي النهاية، رصد حوالي 70 مرصدًا على الأرض وفي الفضاء الحدث في نطاقات مختلفة من الأطوال الموجية. وفي الأيام التي تلت الاصطدام، تم تسجيل الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاقات الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو.
"لأول مرة، وعلى النقيض من اندماج الثقوب السوداء "المنفردة"، تم تسجيل حدث "الشركة" ليس فقط عن طريق كاشفات الجاذبية، ولكن أيضًا عن طريق التلسكوبات البصرية والنيوترينو. قال أستاذ في كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية يحمل اسم M.V. "هذه هي أول رقصة مستديرة من الملاحظات حول حدث واحد". لومونوسوف سيرجي فياتشانين.
وتوقع المنظرون أن الاندماج سينتج كيلونوفا. هذه ظاهرة تتوهج فيها المواد المتبقية من اصطدام نجم نيوتروني بشكل مشرق ويتم إخراجها من منطقة الاصطدام بعيدًا إلى الفضاء. يؤدي هذا إلى إنشاء عمليات تنتج عناصر ثقيلة مثل الرصاص والذهب. توفر مراقبة الشفق الناتج عن اندماج نجم نيوتروني معلومات إضافية حول المراحل المختلفة للاندماج، وتفاعل الجسم الناتج مع بيئته، والعمليات التي تنتج أثقل العناصر في الكون.
"خلال عملية الاندماج، تم تسجيل تكوين العناصر الثقيلة. لذلك، يمكننا أن نتحدث حتى عن مصنع المجرة لإنتاج العناصر الثقيلة، بما في ذلك الذهب، لأن هذا المعدن هو الذي يثير اهتمام أبناء الأرض أكثر من أي شيء آخر. وأشار فياتشانين إلى أن العلماء بدأوا في اقتراح نماذج من شأنها أن تشرح المعلمات المرصودة لهذا الاندماج.
في 17 أغسطس 2017، سجل مرصد موجات الجاذبية الليزري LIGO وكاشف موجات الجاذبية الفرنسي الإيطالي VIRGO موجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام نجمين نيوترونيين لأول مرة. وبعد حوالي ثانيتين، لاحظ تلسكوب فيرمي غاما-راي الفضائي التابع لناسا ومختبر الفيزياء الفلكية لأشعة غاما التابع لوكالة الفضاء الأوروبية انفجارًا قصيرًا لأشعة غاما، GRB170817A، في نفس المنطقة من السماء.
"من النادر أن تتاح الفرصة لعالم ليشهد بداية عصر جديد في العلوم. هذه هي واحدة من تلك الحالات!" - قالت إيلينا بيان من معهد الفيزياء الفلكية الإيطالي، مؤلفة أحد المنشورات في طبيعةمقالات.
ما هي موجات الجاذبية؟
تعد موجات الجاذبية، الناتجة عن الكتل المتحركة، علامات على الأحداث الأكثر عنفًا في الكون، وتحدث عندما تصطدم الأجسام الكثيفة مثل الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية.
تم التنبؤ بوجودها في عام 1916 من قبل ألبرت أينشتاين في نظريته النسبية العامة. ومع ذلك، لم يكن من الممكن اكتشاف موجات الجاذبية إلا بعد مائة عام، حيث إن أقوى هذه الموجات فقط، الناتجة عن التغيرات السريعة في سرعة الأجسام الضخمة جدًا، يمكن تسجيلها بواسطة أجهزة الاستقبال الحديثة.
حتى اليوم، تم التقاط 4 إشارات لموجات الجاذبية: سجل مرصد LIGO وحده ثلاث مرات "تموجات" الزمكان، وفي 14 سبتمبر 2017، ولأول مرة، تم التقاط موجات الجاذبية بواسطة ثلاثة أجهزة كشف في وقت واحد (اثنان من مرصد LIGO). كاشفات في الولايات المتحدة الأمريكية وكاشف VIRGO واحد في أوروبا).
تشترك الأحداث الأربعة السابقة في شيء واحد، وهو أنها جميعها ناجمة عن اندماج أزواج من الثقوب السوداء، ونتيجة لذلك من المستحيل رؤية مصدرها. الآن تغير كل شيء.
كيف "اكتشفت" المراصد حول العالم مصدر موجات الجاذبية؟
أتاح العمل المشترك بين LIGO وVIRGO إمكانية تحديد مصدر موجات الجاذبية ضمن مساحة واسعة من السماء الجنوبية، بحجم عدة مئات من أقراص القمر البدر، والتي تحتوي على ملايين النجوم. وبدأ أكثر من 70 مرصدًا حول العالم، بالإضافة إلى تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا، برصد هذه المنطقة من السماء بحثًا عن مصادر جديدة للإشعاع.
وجاءت الرسالة الأولى عن اكتشاف مصدر ضوء جديد بعد 11 ساعة من تلسكوب سووب متر. وتبين أن الجسم كان قريبًا جدًا من المجرة العدسية NGC 4993 في كوكبة الهيدرا. وفي نفس الوقت تقريبًا، تم اكتشاف المصدر نفسه بواسطة تلسكوب VISTA التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي في ضوء الأشعة تحت الحمراء. ومع تحرك الليل غربًا عبر الكرة الأرضية، تمت ملاحظة الجسم في جزر هاواي بواسطة تلسكوبي Pan-STARRS وSubaru، ولوحظ تطوره السريع.
يظهر الوميض الناتج عن اصطدام نجمين نيوترونيين في المجرة NGC 4993 بوضوح في هذه الصورة المأخوذة من تلسكوب هابل الفضائي. وتظهر الملاحظات التي أجريت في الفترة من 22 إلى 28 أغسطس 2017 كيف اختفت تدريجيا. الائتمان: ناسا / وكالة الفضاء الأوروبية
وقد أسفرت تقديرات مسافة الجسم من كل من بيانات موجات الجاذبية وغيرها من الملاحظات عن نتائج متسقة: GW170817 على نفس المسافة من الأرض مثل المجرة NGC 4993، على بعد 130 مليون سنة ضوئية. وهذا يجعله أقرب مصدر لموجات الجاذبية تم اكتشافه لنا على الإطلاق، وواحد من أقرب مصادر انفجارات أشعة جاما التي تم رصدها على الإطلاق.
كيلونوفا الغامضة
بعد أن ينفجر نجم ضخم على شكل مستعر أعظم، يُترك خلفه نواة شديدة الكثافة ومنهارة: نجم نيوتروني. تفسر اندماجات النجوم النيوترونية أيضًا إلى حد كبير انفجارات أشعة جاما القصيرة. ويُعتقد أن هذا الحدث مصحوب بانفجار أكثر سطوعًا بألف مرة من المستعر النموذجي - ما يسمى كيلونوفا.
تمثيل فني لاصطدام نجمين نيوترونيين في المجرة NGC 4993، مما أدى إلى توهج الكيلونوفا وموجات الجاذبية. الائتمان: إسو/ل. كالجادا/م. كورنميسر
"هذا لا يشبه أي شيء آخر! أصبح الجسم سريعًا جدًا ساطعًا بشكل لا يصدق، ثم بدأ في التلاشي بسرعة، وتحول من اللون الأزرق إلى اللون الأحمر. هذا أمر لا يصدق! - يقول ريان فولي من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (الولايات المتحدة الأمريكية).
أدى الاكتشاف المتزامن تقريبًا لموجات الجاذبية وأشعة جاما من GW170817 إلى زيادة الآمال في أن هذا هو الكيلونوفا الذي طال انتظاره. لقد كشفت الملاحظات التفصيلية باستخدام أدوات ESO وتلسكوب هابل الفضائي عن خصائص هذا الجسم قريبة جدًا من التنبؤات النظرية التي تم إجراؤها منذ أكثر من 30 عامًا. وهكذا، تم الحصول على أول تأكيد رصدي لوجود الكيلونوفا.
ليس من الواضح بعد ما هو نوع الجسم الذي تم إنشاؤه نتيجة اندماج نجمين نيوترونيين: ثقب أسود أم نجم نيوتروني جديد. مزيد من تحليل البيانات يجب أن يجيب على هذا السؤال.
يؤدي اندماج نجمين نيوترونيين وانفجار كيلونوفا إلى إطلاق عناصر كيميائية ثقيلة مشعة، تطير بعيدًا بسرعة تعادل خمس سرعة الضوء. على مدار بضعة أيام - أسرع من أي انفجار نجمي آخر - يتغير لون الكيلونوفا من الأزرق الساطع إلى الأحمر الشديد.
"البيانات التي حصلنا عليها تتفق بشكل ممتاز مع النظرية. يقول ستيفانو كوفينو من معهد الفيزياء الفلكية الإيطالي: "يعد هذا انتصارًا للمنظرين، وتأكيدًا للواقع المطلق للأحداث التي سجلتها مرصدا LIGO وVIRGO، وإنجازًا رائعًا للمرصد الأوروبي الجنوبي الذي تمكن من الحصول على عمليات رصد للكيلونوفا". ، مؤلف إحدى الأوراق المنشورة في علم الفلك الطبيعةمقالات.
تنطلق بعض العناصر إلى الفضاء عند اندماج نجمين نيوترونيين. الائتمان: إسو/ل. كالسادا/م. كورنميسر
تكشف الأطياف التي تم الحصول عليها بواسطة أدوات التلسكوب الكبير جدًا التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي عن وجود السيزيوم والتيلوريوم المقذوفين في الفضاء عند اندماج النجوم النيوترونية. وتنتشر هذه العناصر الثقيلة وغيرها في الفضاء بعد انفجارات الكيلونوفا. وهكذا، تشير الملاحظات إلى تكوين عناصر أثقل من الحديد أثناء التفاعلات النووية داخل الأجسام النجمية فائقة الكثافة. هذه العملية، التي تسمى التخليق النووي r، كانت معروفة سابقًا من الناحية النظرية فقط.
أهمية الاكتشاف
يمثل هذا الاكتشاف فجر حقبة جديدة في علم الكونيات: الآن لا يمكننا الاستماع فحسب، بل يمكننا أيضًا رؤية الأحداث التي تولد موجات الجاذبية! على المدى القصير، سيسمح تحليل البيانات الجديدة للعلماء بالحصول على فهم أكثر دقة للنجوم النيوترونية، وفي المستقبل، ستساعد عمليات رصد الأحداث المماثلة في تفسير التوسع المستمر للكون، وتكوين الطاقة المظلمة، والكون. أصل أثقل العناصر في الكون.
يتم تقديم الأبحاث التي تصف هذا الاكتشاف في سلسلة من المقالات الصحفية طبيعة, علم الفلك الطبيعةو رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
نتائج رصدية قد تلقي الضوء في المستقبل على لغز بنية النجوم النيوترونية وتشكل العناصر الثقيلة في الكون
تصوير فني لموجات الجاذبية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين
الصورة: آر هيرت/ معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا- مختبر الدفع النفاث
موسكو. 16 أكتوبر. موقع إلكتروني - لأول مرة في التاريخ، سجل العلماء موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين - أجسام فائقة الكثافة بكتلة بحجم شمسنا وحجم موسكو، وفقًا لموقع N+1.
تمت ملاحظة انفجار أشعة جاما وانفجار الكيلونوفا اللاحقين من قبل حوالي 70 مرصدًا أرضيًا وفضائيًا - حيث تمكنوا من رؤية عملية تخليق العناصر الثقيلة التي تنبأ بها المنظرون، بما في ذلك الذهب والبلاتين، وتأكيد صحة الفرضيات حول طبيعة انفجارات أشعة غاما القصيرة والغامضة، حسبما ذكرت الخدمة الصحفية للتعاون بين LIGO/Virgo والمرصد الأوروبي الجنوبي ومرصد Los Cumbres. وقد تلقي النتائج الرصدية الضوء على لغز بنية النجوم النيوترونية وتشكل العناصر الثقيلة في الكون.
موجات الجاذبية هي موجات من الاهتزازات في هندسة الزمكان، والتي تنبأت بوجودها النظرية النسبية العامة. أعلن تعاون LIGO لأول مرة عن اكتشافه الموثوق به في فبراير 2016، أي بعد 100 عام من تنبؤات أينشتاين.
يُقال إنه في صباح يوم 17 أغسطس 2017 (الساعة 8:41 صباحًا بتوقيت الساحل الشرقي، بينما كانت الساعة 3:41 مساءً بتوقيت موسكو)، اكتشفت الأنظمة الأوتوماتيكية الموجودة على أحد الكاشفين في مرصد LIGO لموجات الجاذبية وصول كائنات فضائية. موجة الجاذبية من الفضاء. تم تسمية الإشارة بـ GW170817، وهي المرة الخامسة التي يتم فيها اكتشاف موجات الجاذبية منذ اكتشافها لأول مرة في عام 2015. وقبل ثلاثة أيام فقط، "سمع" مرصد LIGO موجة جاذبية للمرة الأولى، جنبًا إلى جنب مع مشروع Virgo الأوروبي.
ومع ذلك، هذه المرة، بعد ثانيتين فقط من حدث الجاذبية، سجل تلسكوب فيرمي الفضائي وميضًا من أشعة جاما في السماء الجنوبية. وفي نفس اللحظة تقريبًا، شاهد المرصد الفضائي الأوروبي الروسي INTEGRAL الوميض.
خلصت أنظمة تحليل البيانات الآلية في مرصد LIGO إلى أن تزامن هذين الحدثين أمر مستبعد للغاية. وأثناء البحث عن معلومات إضافية، تم اكتشاف أن موجة الجاذبية شوهدت أيضًا بواسطة كاشف LIGO الثاني، وكذلك مرصد العذراء الأوروبي للجاذبية. تم وضع علماء الفلك في جميع أنحاء العالم في حالة تأهب - حيث بدأت العديد من المراصد، بما في ذلك المرصد الأوروبي الجنوبي وتلسكوب هابل الفضائي، في البحث عن مصدر موجات الجاذبية وانفجار أشعة جاما.
لم تكن المهمة سهلة - فقد أتاحت البيانات المجمعة من LIGO/Virgo وFermi وINTEGRAL تحديد مساحة تبلغ 35 درجة مربعة - وهي المساحة التقريبية لعدة مئات من الأقراص القمرية. وبعد 11 ساعة فقط، التقط تلسكوب Swope الصغير المزود بمرآة بطول متر والموجود في تشيلي أول صورة للمصدر المزعوم - بدا وكأنه نجم شديد السطوع بجوار المجرة الإهليلجية NGC 4993 في كوكبة هيدرا. خلال الأيام الخمسة التالية، انخفض سطوع المصدر بمقدار 20 مرة، وتحول اللون تدريجيًا من الأزرق إلى الأحمر. طوال هذا الوقت، تم ملاحظة الكائن من قبل العديد من التلسكوبات في النطاقات من الأشعة السينية إلى الأشعة تحت الحمراء، حتى سبتمبر / أيلول، كانت المجرة قريبة جدًا من الشمس وأصبحت غير قابلة للوصول للمراقبة.
وخلص العلماء إلى أن مصدر التوهج كان في المجرة NGC 4993 على مسافة حوالي 130 مليون سنة ضوئية من الأرض. وهذا قريب بشكل لا يصدق. وحتى الآن، جاءت موجات الجاذبية إلينا من مسافات تصل إلى مليارات السنين الضوئية؛ وبفضل هذا القرب، تمكنا من سماعهم. كان مصدر الموجة هو اندماج جسمين تتراوح كتلتهما من 1.1 إلى 1.6 كتلة شمسية - ولا يمكن أن يكونا سوى نجوم نيوترونية.
تحديد مصدر موجات الجاذبية في المجرة NGC 4993
"بدا" الانفجار نفسه لفترة طويلة جدًا - تم إنتاج رشقات نارية تدوم جزءًا من الثانية. يدور زوج من النجوم النيوترونية حول مركز مشترك للكتلة، ويفقدان الطاقة تدريجيًا على شكل موجات جاذبية ويقتربان من بعضهما البعض. وعندما انخفضت المسافة بينهما إلى 300 كيلومتر، أصبحت موجات الجاذبية قوية بما يكفي لسقوطها في منطقة حساسية كاشفات الجاذبية LIGO/Virgo. تمكنت النجوم النيوترونية من إكمال 1.5 ألف دورة حول بعضها البعض. عندما يندمج نجمان نيوترونيان في جسم واحد مدمج (نجم نيوتروني أو ثقب أسود)، يحدث انفجار قوي من إشعاع غاما.
يطلق علماء الفلك على انفجارات أشعة جاما هذه اسم انفجارات أشعة جاما القصيرة؛ استمر انفجار أشعة غاما القصير الذي تم الإبلاغ عنه من اندماج النجم النيوتروني لمدة 1.7 ثانية.
إذا كانت طبيعة انفجارات أشعة جاما الطويلة أكثر وضوحًا (مصادرها هي انفجارات السوبرنوفا)، فلن يكون هناك إجماع على مصادر الانفجارات القصيرة. كانت هناك فرضية مفادها أنها تنشأ عن اندماج النجوم النيوترونية.
الآن تمكن العلماء من تأكيد هذه الفرضية لأول مرة، حيث بفضل موجات الجاذبية نعرف كتلة المكونات المندمجة، مما يثبت أن هذه نجوم نيوترونية.
"لعقود من الزمن كنا نشك في أن انفجارات أشعة غاما القصيرة تنتج اندماجات النجوم النيوترونية. الآن، بفضل البيانات من LIGO وVirgo حول هذا الحدث، لدينا الجواب. تخبرنا موجات الجاذبية أن الأجسام المندمجة كانت لها كتل تتوافق مع النجوم النيوترونية، وتقول جولي ماكنيري، عالمة مشروع فيرمي في مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا، إن انفجار أشعة غاما يقول: "من غير المرجح أن تكون هذه الأجسام ثقوبًا سوداء، نظرًا لأن تصادمات الثقوب السوداء لا ينبغي أن تنتج إشعاعًا".
مصدر الذهب والبلاتين
بالإضافة إلى ذلك، تلقى علماء الفلك لأول مرة تأكيدًا لا لبس فيه على وجود توهجات الكيلونوفا (أو "ماكرون")، وهي أقوى بحوالي ألف مرة من توهجات المستعرات العادية. وتوقع المنظرون أن الكيلونوفا يمكن أن تنشأ من اندماج النجوم النيوترونية أو نجم نيوتروني وثقب أسود.
يؤدي هذا إلى إطلاق عملية تخليق العناصر الثقيلة، بناءً على أسر النيوترونات بواسطة النوى (عملية r)، ونتيجة لذلك ظهرت العديد من العناصر الثقيلة مثل الذهب أو البلاتين أو اليورانيوم في الكون.
وفقا للعلماء، يمكن لانفجار كيلونوفا واحد أن ينتج كمية هائلة من الذهب - ما يصل إلى عشرة أضعاف كتلة القمر. حتى الآن، تم رصد حدث يمكن أن يكون انفجار كيلونوفا مرة واحدة فقط.
الآن، ولأول مرة، تمكن علماء الفلك من ملاحظة ليس فقط ولادة الكيلونوفا، ولكن أيضًا منتجات "عملها". وأظهرت الأطياف التي تم الحصول عليها باستخدام تلسكوبات هابل وVLT (التلسكوب الكبير جدًا) وجود السيزيوم والتيلوريوم والذهب والبلاتين وعناصر ثقيلة أخرى تشكلت أثناء اندماج النجوم النيوترونية.
وبعد 11 ساعة من الاصطدام، بلغت درجة حرارة الكيلونوفا 8 آلاف درجة، ووصلت سرعة تمدده إلى حوالي 100 ألف كيلومتر في الثانية، حسبما يشير N+1، نقلا عن بيانات من معهد ستيرنبرغ الفلكي الحكومي (SAI).
وقالت ESO إن الملاحظة تتطابق تمامًا تقريبًا مع التنبؤ بكيفية تصرف النجمين النيوترونيين أثناء الاندماج.
"حتى الآن، تتفق البيانات التي حصلنا عليها بشكل ممتاز مع النظرية. ويعد هذا انتصارًا للمنظرين، وتأكيدًا للواقع المطلق للأحداث التي سجلها مراصد LIGO وVIrgo، وإنجازًا رائعًا لـ ESO، الذي تمكن من للحصول على مثل هذه الملاحظات للكيلونوفا"، يقول ستيفانو كوفينو، المؤلف الأول لأحد المقالات في علم الفلك الطبيعي.
هكذا رأى علماء الفلك اصطدام النجوم النيوترونية
ليس لدى العلماء حتى الآن إجابة لسؤال ما الذي يبقى بعد اندماج النجوم النيوترونية - يمكن أن يكون إما ثقبًا أسود أو نجمًا نيوترونيًا جديدًا، بالإضافة إلى ذلك، ليس من الواضح تمامًا سبب تحول انفجار أشعة جاما إلى تكون ضعيفة نسبيا.
لأول مرة في تاريخ البشرية، اكتشف علماء الفلك موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين. تم "استشعار" الحدث الذي وقع في المجرة NGC 4993 في 17 أغسطس بواسطة مراصد الجاذبية LIGO/Virgo. وبعدهم، انضمت أدوات فلكية أخرى إلى عمليات الرصد. ونتيجة لذلك، راقب 70 مرصدًا هذا الحدث، ووفقًا لبيانات المراقبة، تم اليوم نشر ما لا يقل عن 20 (!) مقالة علمية.
بدأت الشائعات التي تفيد بأن كاشفات LIGO/Virgo قد سجلت أخيرًا حدثًا جديدًا وهذا ليس اندماج ثقب أسود آخر، بدأت تنتشر عبر شبكات التواصل الاجتماعي في 18 أغسطس. كان من المتوقع صدور بيان حول هذا الموضوع في نهاية شهر سبتمبر، ولكن بعد ذلك اقتصر العلماء على حدث موجة الجاذبية التالي الذي يتضمن ثقبين أسودين - فقد حدث على بعد 1.8 مليار سنة ضوئية من الأرض، وللمرة الأولى لم تشارك أجهزة الكشف الأمريكية فقط في الحدث. ملاحظته في 14 أغسطس، وكذلك برج العذراء الأوروبي، الذي "انضم" إلى عملية البحث عن تقلبات الزمكان قبل أسبوعين.
ليغو الجديد. المصدر مع نظيره البصري. تفجير الجوارب الخاصة بك!
جي كريج ويلر (@ast309) 18 أغسطس 2017
بعد ذلك، فاز هذا التعاون بجدارة بجائزة نوبل في الفيزياء - لاكتشافه موجات الجاذبية وتأكيد صحة أينشتاين في التنبؤ بوجودها - والآن أخبر العالم عن الاكتشاف الذي ادخره من أجل "الحلويات".
ماذا حدث بالضبط؟
النجوم النيوترونية هي أجسام صغيرة جدًا وكثيفة جدًا، وعادةً ما تنشأ عن انفجارات المستعرات الأعظم. يبلغ القطر النموذجي لمثل هذا النجم 10-20 كم، وكتلته مماثلة لكتلة الشمس (التي يبلغ قطرها 100 مليون مرة أكبر)، وبالتالي فإن كثافة مادة النجم النيوتروني أعلى بعدة مرات من كثافة النجم النيوتروني. النواة الذرية. في الوقت الحالي، نعرف عدة آلاف من هذه الكائنات، لكن لا يوجد سوى ما يتراوح بين واحد ونصف إلى عشرين نظامًا ثنائيًا.
يقع الكيلونوفا (المشابه لـ "المستعر الأعظم")، والذي تم تسجيل تأثير جاذبيته بواسطة LIGO/Virgo في 17 أغسطس، في كوكبة الهيدرا على مسافة 130 مليون سنة ضوئية من الأرض. ونتج عن اندماج نجمين نيوترونيين تتراوح كتلتهما من 1.1 إلى 1.6 كتلة شمسية. والمؤشر على مدى قرب هذا الحدث منا هو أنه في حين أن الإشارة الصادرة عن اندماج الثقوب السوداء الثنائية كانت عادةً ضمن نطاق حساسية كاشفات LIGO لجزء من الثانية، فإن الإشارة المسجلة في 17 أغسطس استمرت حوالي 100 ثانية.
وقال عالم الفيزياء الفلكية سيرجي بوبوف، الباحث الرئيسي في معهد الدولة الفلكي: "هذه ليست أول كيلونوفا مسجلة". الكمبيوتر. ستيرنبرغ - ولكن لا يمكن إدراجها حتى على أصابع يد واحدة، ولكن على الأذنين تقريبًا. كان هناك حرفيا واحد أو اثنين منهم.
في نفس الوقت تقريبًا، بعد حوالي ثانيتين من موجات الجاذبية، اكتشف تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي التابع لناسا والمختبر الدولي للفيزياء الفلكية لأشعة جاما / INTEGRAL انفجارات أشعة جاما. وفي الأيام التالية، سجل العلماء الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاقات أخرى، بما في ذلك الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو.
وبعد تلقي الإحداثيات، تمكنت عدة مراصد من بدء البحث خلال ساعات قليلة في منطقة السماء التي يفترض أن وقع فيها الحدث. تم الكشف عن نقطة مضيئة جديدة تشبه المستعر بواسطة التلسكوبات البصرية، وفي نهاية المطاف قام حوالي 70 مرصدًا برصد الحدث في نطاقات مختلفة من الأطوال الموجية.
"لأول مرة، وعلى النقيض من اندماج الثقوب السوداء "المنفردة"، تم تسجيل حدث "الشركة" ليس فقط عن طريق كاشفات الجاذبية، ولكن أيضًا عن طريق التلسكوبات البصرية والنيوترينو. قال أستاذ كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية سيرجي فياتشانين، وهو جزء من مجموعة من العلماء الروس الذين شاركوا في مراقبة الظاهرة تحت قيادة البروفيسور: "هذه هي أول رقصة مستديرة من الملاحظات حول حدث واحد". كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية فاليري ميتروفانوف.
وفي لحظة الاصطدام، اندمج الجزء الرئيسي من النجمين النيوترونيين في جسم واحد فائق الكثافة يصدر أشعة جاما. تؤكد القياسات الأولى لأشعة جاما، جنبًا إلى جنب مع اكتشاف موجات الجاذبية، تنبؤ نظرية النسبية العامة لأينشتاين، وهي أن موجات الجاذبية تنتقل بسرعة الضوء.
"في جميع الحالات السابقة، كان مصدر موجات الجاذبية هو اندماج الثقوب السوداء. ومن المفارقات أن الثقوب السوداء هي أجسام بسيطة للغاية، وتتكون بالكامل من مساحة منحنية، وبالتالي يتم وصفها بالكامل بواسطة قوانين النسبية العامة المعروفة. وفي الوقت نفسه، فإن بنية النجوم النيوترونية، وعلى وجه الخصوص، معادلة حالة المادة النيوترونية، لا تزال غير معروفة على وجه التحديد. وقال فريد خليلي، الأستاذ في كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية، وهو أيضًا أستاذ في كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية، وهو أيضًا أستاذ في كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية: "إن دراسة الإشارات الصادرة عن اندماج النجوم النيوترونية ستسمح لنا بالحصول على كمية هائلة من المعلومات الجديدة أيضًا حول خصائص المادة فائقة الكثافة في ظل الظروف القاسية". جزء من مجموعة ميتروفانوف.
ما هي أهمية هذا الاكتشاف؟
أولاً، تُعد مراقبة اندماجات النجوم النيوترونية دليلًا واضحًا آخر على قوة عمليات الرصد الفلكية التي ابتكرتها كاشفات LIGO وVirgo.
"هذه هي ولادة علم جديد! وقال فلاديمير ليبونوف، رئيس مختبر مراقبة الفضاء التابع لمعهد الطيران الحكومي بجامعة موسكو الحكومية ورئيس مشروع MASTER، لشيرداك: "اليوم هو مثل هذا اليوم". - سيُسمى بعلم فلك الجاذبية. وذلك عندما تصبح جميع أساليب علم الفلك التي يبلغ عمرها ألف عام، والتي استخدمها آلاف علماء الفلك لعدة آلاف من السنين، مفيدة لموضوعات موجات الجاذبية. حتى يومنا هذا، كان كل هذا عبارة عن فيزياء بحتة، أي حتى خيال من وجهة نظر الجمهور، لكنه الآن أصبح بالفعل حقيقة واقعة. واقع جديد."
"منذ عام ونصف، عندما تم اكتشاف موجات الجاذبية، تم اكتشاف طريقة جديدة لدراسة الكون، ودراسة طبيعة الكون. وقد أثبتت هذه الطريقة الجديدة بالفعل خلال عام ونصف قدرتها على تزويدنا بمعلومات مهمة وعميقة حول مختلف الظواهر في الكون. لعدة عقود، كانوا يحاولون فقط اكتشاف موجات الجاذبية، وبعد ذلك مرة واحدة - قبل عام ونصف تم اكتشافها، حصلوا على جائزة نوبل، والآن مر عام ونصف، وقد ثبت بالفعل ذلك، باستثناء العلم الذي رفعه الجميع - نعم، كان أينشتاين على حق! "هذا يعمل حقًا الآن، فقط في بداية علم علم فلك الجاذبية، اتضح أن دراسة الظواهر المختلفة في الكون فعالة جدًا،" عالم الفيزياء الفلكية يوري كوفاليف، رئيس مختبر الأبحاث الأساسية والتطبيقية للأجسام النسبية. وقال عالم الكون في MIPT، ورئيس المختبر، لمراسل معهد ليبيديف الفيزيائي ورئيس البرنامج العلمي لمشروع Radioastron، لـ”العلية”.
وبالإضافة إلى ذلك، خلال عمليات الرصد، تم جمع كمية هائلة من البيانات الجديدة. على وجه الخصوص، تم تسجيل أنه أثناء اندماج النجوم النيوترونية، يتم تشكيل العناصر الثقيلة مثل الذهب والبلاتين واليورانيوم. وهذا يؤكد إحدى النظريات الموجودة حول أصل العناصر الثقيلة في الكون. وقد أثبتت النماذج السابقة بالفعل أن انفجارات المستعرات الأعظم وحدها لا تكفي لتخليق العناصر الثقيلة في الكون، وفي عام 1999 اقترحت مجموعة من العلماء السويسريين أن اندماج النجوم النيوترونية يمكن أن يكون مصدرًا آخر للعناصر الثقيلة. على الرغم من أن الكيلونوفا أندر بكثير من المستعرات الأعظم، إلا أنها قادرة على توليد معظم العناصر الثقيلة.
"تخيل أنك لم تجد المال في الشارع مطلقًا، ثم وجدته أخيرًا. يقول سيرجي بوبوف: "وهذا ألف دولار دفعة واحدة". - أولاً، هذا تأكيد على أن موجات الجاذبية تنتشر بسرعة الضوء، تأكيد بدقة 10 -15. هذا شيء مهم جداً. ثانيا، هذا عدد معين من التأكيدات الفنية البحتة لعدد من أحكام النظرية النسبية العامة، وهو أمر مهم للغاية بالنسبة للفيزياء الأساسية بشكل عام. ثالثًا - إذا رجعنا إلى الفيزياء الفلكية - فهذا تأكيد على أن انفجارات أشعة جاما القصيرة هي اندماج نجوم نيوترونية. أما بالنسبة للعناصر الثقيلة، فليس الأمر بالطبع أنه لم يكن أحد يؤمن بمثل هذه الأشياء من قبل. ولكن لم تكن هناك مثل هذه المجموعة الرائعة من البيانات.
وهذا المجمع من البيانات سمح للعلماء في اليوم الأول بنشر ما لا يقل عن 20 مقالاً (ثمانية في علوم، خمسة في طبيعة، اثنان في رسائل المراجعة البدنيةوخمسة في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية). بحسب حسابات الصحافيين علوم، فإن عدد مؤلفي المقالة التي تصف الحدث يتوافق تقريبًا مع ثلث جميع علماء الفلك النشطين. هل تتطلع إلى الاستمرار؟ نحن نفعل.
موسكو، 16 أكتوبر. /تاس/. كانت أجهزة الكشف LIGO (مرصد موجات الجاذبية التداخلية بالليزر، الولايات المتحدة الأمريكية) وVirgo (مرصد مماثل في إيطاليا) أول من اكتشف موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين. تم الإعلان عن هذا الاكتشاف يوم الاثنين خلال مؤتمر صحفي دولي عقد بشكل متزامن في موسكو وواشنطن وعدد من المدن في بلدان أخرى.
"سجل العلماء لأول مرة موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين، وتم ملاحظة هذه الظاهرة ليس فقط باستخدام مقاييس التداخل الليزرية التي تسجل موجات الجاذبية، ولكن أيضًا بمساعدة المراصد الفضائية (إنتغرال، فيرمي) والتلسكوبات الأرضية "التي تسجل الإشعاع الكهرومغناطيسي. في المجموع، تمت ملاحظة هذه الظاهرة في حوالي 70 مرصدًا أرضيًا وفضائيًا حول العالم، بما في ذلك شبكة MASTER من التلسكوبات الآلية (جامعة إم في لومونوسوف موسكو الحكومية)"، كما تقول الخدمة الصحفية لجامعة موسكو الحكومية.
متى وكيف قمت بالتسجيل؟
الاكتشاف الذي أعلنه العلماء يوم الاثنين تم في 17 أغسطس. ثم سجل كلا كاشفي LIGO إشارة جاذبية تسمى GW170817. لقد أدت المعلومات التي قدمها كاشف برج العذراء الثالث إلى تحسين توطين الحدث الكوني بشكل كبير.
في نفس الوقت تقريبًا، بعد حوالي ثانيتين من موجات الجاذبية، اكتشف تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي التابع لناسا والمختبر الدولي للفيزياء الفلكية لأشعة جاما / INTEGRAL انفجارات أشعة جاما. وفي الأيام التالية، سجل العلماء الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاقات أخرى، بما في ذلك الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو.
وأظهرت الإشارات الصادرة عن أجهزة كشف LIGO أن موجات الجاذبية المكتشفة انبعثت من جسمين فيزيائيين فلكيين يدوران بالنسبة لبعضهما البعض ويقعان على مسافة قريبة نسبيا - حوالي 130 مليون سنة ضوئية - من الأرض. وتبين أن هذه الأجسام كانت أقل كتلة من الثقوب السوداء الثنائية التي اكتشفها مرصدا ليجو وفيرجو سابقًا. وتم حساب كتلتها بما يتراوح بين 1.1 و1.6 كتلة شمسية، وهو ما يقع ضمن نطاق كتلة النجوم النيوترونية، أصغر النجوم وأكثرها كثافة. يبلغ نصف قطرها النموذجي 10-20 كم فقط.
في حين أن الإشارة الصادرة عن اندماج الثقوب السوداء الثنائية كانت عادةً ضمن نطاق حساسية كاشفات LIGO لجزء من الثانية، فإن الإشارة المسجلة في 17 أغسطس استمرت حوالي 100 ثانية. وبعد حوالي ثانيتين من اندماج النجمين، حدث وميض من إشعاع جاما، تم تسجيله بواسطة تلسكوبات أشعة جاما الفضائية.
إن الاكتشاف السريع لموجات الجاذبية من قبل فريق LIGO-Virgo، بالإضافة إلى اكتشاف أشعة جاما، مكّن من إجراء عمليات الرصد بواسطة التلسكوبات البصرية والراديو حول العالم.
وبعد تلقي الإحداثيات، تمكنت عدة مراصد من بدء البحث خلال ساعات قليلة في منطقة السماء التي يفترض أن وقع فيها الحدث. تم اكتشاف النقطة المضيئة الجديدة، التي تشبه المستعر، بواسطة التلسكوبات البصرية، وفي النهاية قام حوالي 70 مرصدًا على الأرض وفي الفضاء برصد الحدث في نطاقات مختلفة من الأطوال الموجية.
وفي الأيام التي تلت الاصطدام، تم تسجيل الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاقات الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو.
"لأول مرة، وعلى النقيض من عمليات الاندماج "المنفردة" للثقوب السوداء، تم تسجيل حدث "مشترك" ليس فقط بواسطة كاشفات الجاذبية، ولكن أيضًا بواسطة التلسكوبات البصرية والنيوترينو. وهذه هي أول رقصة دائرية من الملاحظات حول حدث واحد وقال سيرجي فياتشانين، أستاذ كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية، وهو ضمن مجموعة من العلماء الروس الذين شاركوا في رصد الظاهرة، بقيادة فاليري ميتروفانوف، الأستاذ في كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية جامعة.
ويتوقع المنظرون أن النجوم النيوترونية المتصادمة يجب أن تنبعث منها موجات الجاذبية وأشعة جاما، بالإضافة إلى ثوران نفاثات قوية من المواد، مصحوبة بانبعاث موجات كهرومغناطيسية في نطاق ترددي واسع.
إن انفجار أشعة جاما المكتشف هو ما يسمى بانفجار أشعة جاما القصير. في السابق، توقع العلماء فقط أن انفجارات أشعة غاما القصيرة تتولد أثناء اندماج النجوم النيوترونية، ولكن الآن تم تأكيد ذلك من خلال الملاحظات. ولكن على الرغم من حقيقة أن مصدر انفجار أشعة غاما القصير المكتشف كان واحدًا من أقرب المصادر المرئية إلى الأرض حتى الآن، إلا أن الانفجار نفسه كان ضعيفًا بشكل غير متوقع لمثل هذه المسافة. الآن يتعين على العلماء إيجاد تفسير لهذه الحقيقة.
بسرعة الضوء
وفي لحظة الاصطدام، اندمج الجزء الرئيسي من النجمين النيوترونيين في جسم واحد فائق الكثافة يصدر أشعة جاما. تؤكد القياسات الأولى لأشعة جاما، جنبًا إلى جنب مع اكتشاف موجات الجاذبية، تنبؤ نظرية النسبية العامة لأينشتاين، وهي أن موجات الجاذبية تنتقل بسرعة الضوء.
"يوتيوب/جورجيا تك"
"في جميع الحالات السابقة، كان مصدر موجات الجاذبية هو اندماج الثقوب السوداء. ومن المفارقة أن الثقوب السوداء عبارة عن أجسام بسيطة للغاية تتكون حصريًا من مساحة منحنية وبالتالي يتم وصفها بالكامل بواسطة قوانين النسبية العامة المعروفة. وفي الوقت نفسه، فإن بنية النجوم النيوترونية، وعلى وجه الخصوص، معادلة حالة المادة النيوترونية لا تزال غير معروفة على وجه التحديد، لذلك، فإن دراسة الإشارات الصادرة عن النجوم النيوترونية المندمجة ستسمح لنا بالحصول على كمية هائلة من المعلومات الجديدة أيضًا حول خصائص المادة فائقة الكثافة في الظروف القاسية. وقال فريد خليلي، الأستاذ في كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية، إنه أيضًا جزء من مجموعة ميتروفانوف.
مصنع العناصر الثقيلة
وتوقع المنظرون أن الاندماج سينتج كيلونوفا. هذه ظاهرة تتوهج فيها المواد المتبقية من اصطدام نجم نيوتروني بشكل مشرق ويتم إخراجها من منطقة الاصطدام بعيدًا إلى الفضاء. يؤدي هذا إلى إنشاء عمليات تنتج عناصر ثقيلة مثل الرصاص والذهب. توفر ملاحظات ما بعد التوهج لاندماجات النجوم النيوترونية معلومات إضافية حول المراحل المختلفة للاندماج، وتفاعل الجسم الناتج مع بيئته، والعمليات التي تنتج أثقل العناصر في الكون.
"خلال عملية الاندماج، تم تسجيل تكوين العناصر الثقيلة. لذلك، يمكننا حتى التحدث عن مصنع مجري لإنتاج العناصر الثقيلة، بما في ذلك الذهب - فهذا المعدن هو الذي يثير اهتمام العلماء أكثر من أي شيء آخر "بدأنا في اقتراح نماذج من شأنها أن تشرح المعلمات الملحوظة لهذا الاندماج" - أشار فياتشانين.
حول التعاون بين LIGO وLSC
يجمع التعاون العلمي بين LIGO-LSC (تعاون LIGO العلمي) أكثر من 1200 عالم من 100 معهد في بلدان مختلفة. تم بناء وتشغيل مرصد LIGO من قبل معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. شريك LIGO هو تعاون Virgo، الذي يضم 280 عالمًا ومهندسًا أوروبيًا من 20 مجموعة بحثية. يقع كاشف برج العذراء بالقرب من مدينة بيزا (إيطاليا).
يشارك فريقان علميان من روسيا في أبحاث التعاون العلمي لمرصد LIGO: مجموعة من كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية تحمل اسم M.V. لومونوسوف ومجموعة من معهد الفيزياء التطبيقية التابع لأكاديمية العلوم الروسية (نيجني نوفغورود). يتم دعم البحث من قبل المؤسسة الروسية للأبحاث الأساسية ومؤسسة العلوم الروسية.
اكتشفت كاشفات LIGO لأول مرة موجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام الثقوب السوداء في عام 2015، وتم الإعلان عن هذا الاكتشاف في مؤتمر صحفي في فبراير 2016. وفي عام 2017، فاز علماء الفيزياء الأمريكيون راينر فايس، وكيب ثورن، وبيري باريش بجائزة نوبل في الفيزياء لمساهماتهم الحاسمة في مشروع مرصد ليغو، فضلا عن "رصد موجات الجاذبية".