Как откриването на гравитационните вълни ще промени бъдещето на астрономията

През август за първи път учените наблюдаваха електромагнитно излъчване и гравитационни вълни, излъчени при буреносния сблъсък между две неутронни звезди в отдалечена галактика.

Космическият катаклизъм създаде т. нар. килонова – явление, което не е наблюдавано никога досега – и данните от традиционните телескопи и детекторите за гравитационни вълни възвестиха началото на една нова ера за науката. През идните години астрофизиците ще използват два "пратеника", за да разгадаят тайните на Вселената: електромагнетизма и гравитацията.

В усилията да се уловят излъчваните сигнали при това събитие се включват три детектора за гравитационни вълни, повече от 60 телескопа, разположени на всеки континент, включително Антарктида, седем космически обсерватории и според сведенията 15% от всички астрономи на Земята.

Тези открития са само началото. Вижте два от начините, по които засичането и наблюдението на килоновата ще промени хода на астрономията (и историята).

Науката за сблъсъка на звезди

Сливането на неутронни звезди – изключително плътните звезди, които се разпадат след изчерпването на водородното им гориво, необходимо за ядрения синтез - е теоретизирано преди десетилетия.

Никой учен не беше наблюдавал подобен катаклизъм, докато на 17 август астрономите не прихванаха гравитационните и светлинни сигнали на явлението, случващо се на 130 милиона светлинни години от Земята.

Докато неутронните звезди се въртят спираловидно една около друга, те излъчват гравитационни вълни подобно на капки от водовъртеж. Финалният им сблъсък създава два интензивни тесни потока електромагнитна радиация, както и буреносен облак от енергия и отломки, от които произлиза радиоактивното лъчение на килоновата.

Астрономите навсякъде по света оставиха настрана всичко останало, за да наблюдават събитието във всяка дължина на вълните от електромагнитния спектър – от високоенергийните гама-лъчи, през видимия светлинен спектър, до нискочестотните радиовълни.

Само 1.7 секунди след като интерферометрите на  LIGO и Virgo засякоха първата вълна на сблъсъка, космическият телескоп на НАСА, Ферми, прихвана слаб къс поток от гама-лъчи, идващ от същата точка в небето. Тези лъчи са водещият сигнал на един от най-мощните радиационни потоци.

Учените предполагаха, че потокът ще съдържа и рентгенови лъчи - друг вид високоенергийна радиация. Но когато Елеонора Троя, астрофизик от НАСА, и нейните колеги насочват телескопите си към явлението, не виждат нищо.

В продължение на 9 дни Троя чака да се случи нещо, при това силно озадачена. Накрая инструментите й започват да улавят слаб сигнал, който става все по-силен с напредването на дните. В момента сигналът е засенчен от Слънцето, но Троя очаква, че той ще продължи месеци наред.

Нещо подобно се случва с радио вълните: първият радио сигнал от енергийния поток пристига на Земята 16 дни след засичането на гравитационните вълни и ще се носи в небето години наред.

Каква е причината за забавянето? Първоначалният поток радиация е толкова мощен и се движи толкова бързо, че създава концентриран лъч светлина, който е видим, само ако погледнете право към него, подобно на начина, по който виждате светлината на лазер – само ако лъчът е насочен право към вас.

Тъй като потокът си взаимодейства с междузвездната среда – рядката студена материя, която изпълва празнината между звездите – той се разнася, превръщайки се в широк лъч, подобен на фенерче.

Телескопите на Земята просто не са били насочени право към потока, за да го засекат. Заради чувствителността на инструментите и вида на радиацията учените трябваше да почакат потокът да се разпространи, преди да могат да го уловят в избраната от тях дължина на вълната.

Но макар и случайно, засичането на този енергиен поток е добре дошъл за астрономите, които се опитват да изследват сблъсъка на неутронните звезди. Ако те бяха по-добре разположени спрямо Земята, интензивността на светлинния поток щеше да замъгли радиоактивното избухване на килоновата.

Събитието щеше да изглежда като стотиците други потоци от гама-лъчи, които учените улавят всеки ден. Ако LIGO не им беше подсказал накъде да насочат телескопите си, те щяха да го пропуснат.

Сега вече радиоастрономите, които изследват с електромагнитната радиация, знаят какво да търсят. Вече не е необходимо LIGO да засече сигнал, за да открият ново сливане на неутронни звезди, тъй като наблюдаваното явление вече им даде схема, по която да локализират подобни явления: изключително къс поток от гама-лъчи, последван от забавено рентгеново лъчение и радио излъчване.

Целта на астрономите е да наблюдават колкото е възможно повече сливания на неутронни звезди, защото по време на това явление физиците могат да наблюдават най-екстремните физични закони в действие.

Колкото повече информация успеят да съберат за тези сливания, толкова по-добре ще могат да тестват общата теория на относителността, ядрената физика и динамика на космоса.

Същевременно астрономите не са приключили с изследванията на този първи по рода си феномен. Забавените емисии, излъчени при сливането, продължават да пристигат, носейки повече информация за онова, което се случва по време на сблъсъка. Тази радиация може би крие отговори за това как енергията и масата на звездите са обвързани с експлозията, както и за жизнения цикъл на звездите.

Връзката с тъмната енергия и други неразгадани космически мистерии

Зората на астрофизиката, която използва различни средства за наблюдения на астрономически събития (например телескопски наблюдения и детектори за гравитационни вълни) също така обещава да даде отговори и на някои от най-устойчивите въпроси за Вселената.

Години наред учените се опитват да разгадаят природата на тъмната енергия – мистериозната сила, която стои зад ускоряващото се разширяване на Вселената. За да измерят свойствата й, те се нуждаят от т. нар. "стандартни кандели" – обекти с известно разстояние и яркост, които могат да се проследят, докато теченията, създадени от тъмната енергия, ги отнасят надалеч. Изчисленията, основани на тези стойности, помогнаха на космолозите да достигнат до "константата на Хъбъл" или скоростта, с която Вселената се разширява.

Обикновено учените използват суперновите и определени звезди като стандартни кандели. Процесът е склонен към грешки особено при измерването на разстоянието до много отдалечени обекти.

Към момента астрономите използват нещо, наречено "стълба на космическите разстояния". При този метод те основават изчисленията си на онова, което знаят за различни близко разположени звезди, за да предположат какви са разстоянията до по-отдалечени обекти, след което преплитат информацията със своите изчисления за скоростта на разширяване на Вселената.

Крайните изчисления са меко казано неточни. Те също така са в противоречие с паралелните усилия за измерване на скоростта на разширяване на Вселената въз основа на космическия микровълнов фон, или сиянието, оставено от Големия взрив.

Сливането на неутронни звезди, наблюдавано както чрез гравитационните вълни, така и в светлинния спектър, може да се окаже разковничета на проблема.

Гравитационните вълни отстраняват проблема с изчисляването на разстоянията, тъй като амплитудата на вълната съдържа информация за това колко отдалечен е нейният източник. Наблюденията с оптически телескопи могат да разкрият скоростта, с която килоновата се отдалечава.

Членове на LIGO заедно със специалисти по въпросите, свързани с тъмната енергия, са изчислили стойност за константата на Хъбъл, която до известна степен съответства на другите им известни измервания, макар и само след анализирането на едно сливане. Поради тази причина изчисленията им все още не са напълно сигурни.

Детекторите на LIGO и Virgo са в процес на калибриране и обновяване; други са в процес на строеж. Астрономите твърдят, че през идните години ще можем да засичаме сливания на неутронни звезди на няколко седмици.

Изчисляването на по-добра стойност на константата на Хъбъл – и съответно по-доброто разбиране на тъмната енергия – може би е на една крачка разстояние. Очаква ни едно вълнуващо бъдеще, изпълнено с нови открития!

по статията работи: Величка Мартинова

източник: sciencealert.com