الفلك

هل ستصل إلينا موجات الجاذبية البعيدة جدًا؟

هل ستصل إلينا موجات الجاذبية البعيدة جدًا؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

الجاذبية هي انحناء الزمكان ، وتنتقل آثاره بسرعة الضوء. ومع ذلك ، الفضاء آخذ في التوسع. في النهاية ، سيصبح الضوء القادم من المجرات البعيدة أكثر انزياحًا نحو الأحمر ، ولن نتمكن بعد الآن من رؤيتها (المصدر).

على هذا النحو ، هناك حد للمدى الذي يمكننا رؤيته على الإطلاق ، لأن الضوء البعيد جدًا لن يصل إلينا أبدًا بسبب التوسع السريع للفضاء ... أو على الأقل ، إذا كنت أفهم هذا بشكل صحيح.

الآن ، تنتقل موجات الجاذبية بسرعة الضوء. إذن ، بعد وقت كافٍ ، عندما لا يصل ضوء الجسم إلينا ، ألن تؤثر جاذبيته علينا أيضًا؟

إعادة الصياغة الأفضل هي: في نقطة زمنية معينة ، هل جاذبية أي جسم بعيد جدًا - حتى النجوم الأكثر ضخامة ، والثقوب السوداء ، أو المجرات - ببساطة لا تؤثر علينا على الإطلاق ، على الأقل؟


الجواب هنا مشابه جدًا لما إذا كنت تسأل عن الضوء.

من حيث المبدأ ، قد تسمح لنا موجات الجاذبية بأجزاء من الثانية بعد الانفجار الأعظم. يمكن للموجات الكهرومغناطيسية أن تعود إلى حيث تشكل إشعاع الخلفية الكونية ، بعد حوالي 400000 سنة من الانفجار العظيم.

أنت محق ، لقد توسع الكون. في العصر الحالي ، يقدر أن الكون المرئي ، الذي يحتوي على أشياء بعثت ضوءًا أو جيغاواط قد يصل إلينا الآن ، يبلغ حوالي 46 مليار سنة ضوئية.

ومع ذلك ، يبدو من المحتمل جدًا أن الكون يستمر إلى ما بعد هذا الأفق ، والمصادر وراء هذا الأفق لا يمكن أبدًا أن تنبعث منها الضوء أو GWs التي ستصل إلينا.

كما يشير القسم ذي الصلة من ويكيبيديا (https://en.m.wikipedia.org/wiki/Observable_universe) ، فإن اكتشاف GWs يوسع وجهة نظرنا قليلاً. لا يمكننا "الرؤية" بالموجات الكهرومغناطيسية التي تتجاوز 45.7 مليار سنة ضوئية بسبب "ضباب" الخلفية الميكروية الكونية ، ولكن يمكن أن تخترق GWs هذا الضباب مما يسمح لنا (من حيث المبدأ) برؤية إشارات من أجسام تبعد حاليًا 46.6 مليار سنة ضوئية.


كيف سيركب عصر جديد من علم الفلك على موجات الجاذبية

منحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017 لثلاثة علماء فيزيائيين اكتشفوا تموجات دقيقة في الزمكان ، مما أدى إلى طريقة جديدة تمامًا لرصد الأحداث الكونية.

منذ حوالي 1.3 مليار سنة ، في مجرة ​​بعيدة ، بعيدة ، اصطدم ثقبان أسودان هائلان بعنف ، مما أدى إلى حدوث تموجات في نسيج الزمكان. هذه التموجات ، التي تسمى موجات الجاذبية ، مرت عبر الأرض في 14 سبتمبر 2015. وللمرة الأولى على الإطلاق ، اكتشف البشر حركة غير محسوسة تقريبًا لموجات الجاذبية.

كانت نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين قد تنبأت بموجات الجاذبية قبل قرن من الزمان ، ولكن لم يكن هناك أي فرصة للعثور على دليل عليها إلا بعد إنشاء مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) في مطلع القرن الحادي والعشرين.

وجد LIGO هذا الدليل في عام 2015. ومرة ​​أخرى ، بعد ثلاثة أشهر. ومرة أخرى في يناير الماضي. ومرة أخرى في أغسطس. أضافت كل من اكتشافات الموجات الثقالية الأربعة مزيدًا من الدعم لنظرية أينشتاين ، مما يضمن أن فريق ليجو سيُسجل في التاريخ.

يوم الثلاثاء ، تم حفر هذا الإرث بالذهب ، حيث منحت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم مهندسي LIGO Rainer Weiss و Kip Thorne و Barry Barish جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017 لعملهم في تصميم وبناء واستخدام LIGO.

لكن هذه الاكتشافات الأربعة الأولى والشرف الممنوح للعلماء ليست سوى البداية. يشير نجاح LIGO إلى فجر نوع جديد من علم الفلك.

مع نمو محفظة كامالا هاريس ، يزداد التدقيق كذلك

يقول Saul Teukolsky ، عالم الفيزياء الفلكية النظرية بجامعة كورنيل في إيثاكا ، نيويورك: "هذا يفتح نافذة جديدة على الكون ، وفي كل مرة يتم فتح نافذة جديدة ، حققنا اكتشافات لا تصدق."

حتى الآن ، اعتمد علماء الفلك إلى حد كبير على الإشعاع الكهرومغناطيسي لمراقبة الكون. تنبعث من الأجسام موجات كهرومغناطيسية عبر طيف واسع ، بعضها مرئي للعين البشرية كضوء ، ولكن جميعها يمكن اكتشافها بواسطة التلسكوبات المستخدمة حاليًا على الأرض أو في المدار.

لكن موجات الجاذبية تسمح لعلماء الفلك بالنظر إلى الكون بطريقة مختلفة تمامًا: من خلال الحركة.

"كل شيء يولد موجات جاذبية. أنت وأنا نولد موجات جاذبية من خلال فتح أفواهنا والتحدث. في كل مرة تتحرك فيها المادة ، تتولد موجات الجاذبية "، يشرح لورانس كراوس ، الفيزيائي النظري وعالم الكونيات بجامعة ولاية أريزونا.

مثلما يمكن للإشعاع الكهرومغناطيسي أن ينتقل في طيف من الأطوال الموجية ، كذلك يمكن أن تنتقل تموجات الجاذبية هذه. على مدى قرون من بناء التلسكوبات ، شحذ علماء الفلك قدرتهم على مراقبة الكون عبر هذا الطيف الكهرومغناطيسي ، من موجات الراديو إلى أشعة جاما. والآن ، يطمح علماء الفلك إلى بناء كواشف أفضل وأفضل يمكنها التقاط النطاق الكامل لموجات الجاذبية أيضًا.

تقول مانويلا كامبانيلي ، مديرة مركز النسبية الحاسوبية والجاذبية التابع لمعهد روتشستر للتكنولوجيا: "هذا نوع جديد تمامًا من علم الفلك".

ويمكن أن يؤدي دمج ملاحظات الموجات الثقالية مع البيانات من التقنيات الحالية إلى إحداث ثورة في علم الفلك.

يقدم علم الفلك متعدد الرسائل ، كما هو معروف ، أفكارًا لعلماء الفلك حول الأحداث الكونية التي يعود تاريخها إلى بداية الكون. من خلال دمج البيانات من الإشعاع الكهرومغناطيسي وموجات الجاذبية والنيوترينوات والأشعة الكونية ، يمكن للعلماء تجميع صور مفصلة لتصادم الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية والأجسام الضخمة الأخرى.

يقول الدكتور كامبانيلي: "هناك إمكانية لتعلم الكثير مما يحدث حول هذه المصادر وما حولها ، لأن لديك الآن العديد من الوسائل المستقلة لاستخراج المعلومات."

على سبيل المثال ، يمكن حاليًا ملاحظة الألعاب النارية المذهلة للنجوم النيوترونية المتصادمة في الأطوال الموجية الكهرومغناطيسية ، لذلك يعرف العلماء قليلاً عما تتكون منها ، كما يقول البروفيسور تيوكولسكي. لكن كيفية عملها ، الفيزياء النووية للنجوم النيوترونية ، لم يتم تحديدها بعد. وقد تتمكن موجات الجاذبية من إضافة تلك المعلومة الأساسية.

يشرح تيوكولسكي أن موجات الجاذبية ، على عكس الموجات الكهرومغناطيسية ، لا تمتصها الأجسام الأخرى أثناء مرورها عبر الكون. لذلك ، مع موجات الجاذبية ، كما يقول ، "نحن قادرون على رؤية الأشياء بعمق داخل هذه الانفجارات العنيفة التي تحدث."

يأمل علماء الفلك في الإجابة عن أسئلة حول الفيزياء الأساسية والفيزياء النووية والظواهر المستمرة باستخدام موجات الجاذبية التي تنتشر من تصادم الأجسام الضخمة مثل الثقوب السوداء إلى التموجات الدقيقة للحركة الثابتة في الكون. وربما تحمل موجات الجاذبية علماء الفلك إجابات لأسئلة حول أصول الكون نفسه.

حتى أن بعض الاكتشافات التي تنتظرنا قد تكون غير مفهومة لعلماء الفلك الآن.

احصل على "قصص المراقبة" التي تهتم بها ليتم تسليمها إلى صندوق الوارد الخاص بك.

يقول الدكتور كراوس: "هذه مجرد بداية لموجة جديدة كاملة من علم الفلك". "لا يمكنني التفكير في وقت آخر عندما فتحنا هذه النافذة الجديدة الواسعة ولم نتفاجأ. ما الذي يخلق موجات الجاذبية أيضًا؟ ما هي الأحداث الكارثية الأخرى الموجودة في الكون والتي قد نلاحظها؟ من تعرف؟ هذا هو الشيء العظيم في الاكتشافات: إنها اكتشافات ".


تموجات الاكتشاف الأولى

اقترح هنري بوانكاريه موجات الجاذبية لأول مرة في عام 1905 كاضطرابات في نسيج الزمكان المنتشر بسرعة الضوء. بعد عشر سنوات ، قامت نظرية أينشتاين للنسبية العامة بإضفاء الطابع الرسمي على هذه الأفكار. كان مفهوم الاضطرابات في الزمان والمكان ، المحظور في التفسير النيوتوني للجاذبية ، مسموحًا به تمامًا في نظرية تعاملت مع الكون نفسه ليس كمرحلة تتكشف فيها الأحداث الكونية ، ولكنها تلعب دورًا في تلك الأحداث.

نشأت موجات الجاذبية من إمكانية إيجاد حل "يشبه الموجة" لمعادلات التنسور العامة في قلب النسبية العامة. وفقًا لأينشتاين ، يجب إنشاء موجات الجاذبية بشكل جماعي من خلال تفاعل الأجسام الضخمة مثل الأنظمة الثنائية للنجوم النيوترونية فائقة الكثافة والثقوب السوداء المندمجة ، في الواقع ، يمكن إنشاؤها بواسطة أي أجسام متسارعة غير الأجسام المتسارعة المرتبطة بالأرض. تسبب اضطرابات أصغر من أن تكتشفها. لهذا السبب يجب أن تتجه تحقيقاتنا إلى مناطق الفضاء حيث تزودنا الطبيعة بأشياء أكبر بكثير.

تنبأ أينشتاين بأن هذه التموجات ، التي أنشأتها أجسام ذات كتلة كبيرة ، موجات الجاذبية ، ستكون دقيقة جدًا بحيث يصعب اكتشافها بأي وسيلة تكنولوجية يمكن تخيلها في ذلك الوقت.

لحسن الحظ ، كان أينشتاين مخطئًا.


كيف صنع ليجو موجات في علم الفلك

كانت إحدى تنبؤات أينشتاين التي لم تتم ملاحظتها بعد هي موجات الجاذبية ، وهذا ما وجده فريق LIGO هذا الشهر. كان جريهاغ جاكسون هناك للإعلان ، وتحدث إلى البروفيسور نورنا روبرتسون حول كيفية قيامهم بذلك.

نورنا - الحدث الذي نقول أنه كان عبارة عن ثقبين أسودين يدوران حول بعضهما البعض ويتحركان أيضًا نحو بعضهما البعض لأنهما يفقدان الطاقة أثناء دورانهما حول بعضهما البعض ، وبالتالي فإنهما يتسارعان ويدوران ، أسرع وأسرع حتى يندمجوا في النهاية. وهذا الاندماج النهائي ، الذي يحدث في جزء من الثانية ، هو الذي ينتج موجة كبيرة من موجات الجاذبية.

Graihagh - وهذا تموج عبر الكون إلينا. كم من الوقت يستغرق للوصول إلينا بالرغم من ذلك؟

نورنا - حدث هذا الحدث منذ ما يقرب من مليار سنة ، على بعد مليار سنة ضوئية ، ويستغرق الأمر كل هذا الوقت للانتقال عبر الفضاء نحونا والمرور عبر الأرض في 14 سبتمبر 2015.

Graihagh - إنه أمر رائع حقًا ، أليس كذلك؟

نورنا - إنه أمر رائع. إنه لأمر رائع. كان هناك العديد والعديد من الأشخاص الذين شاركوا في تطوير أجهزة الكشف وتطوير جميع تقنيات التحليل ، وبالنسبة لنا جميعًا ، فهذه مناسبة بالغة الأهمية حقًا.

Graihagh - جنبًا إلى جنب مع Norna ، يعمل ما يقرب من ألف عالم في 16 دولة معًا لمدة 25 عامًا! ومثل نورنا ، قضت شيلا روان من جامعة جلاسكو كل حياتها المهنية في البحث عنهم.

شيلا - أردت أن أصبح عالمة وأردت أن أصبح عالمة فيزيائية ، على ما أعتقد ، منذ أن كنت في التاسعة من عمري. عندما كنت صغيرًا ، لم أستطع التفكير في أي شيء أكثر إثارة في الحياة من إنفاقه في دراسة هذه الأسئلة الكبيرة والكون. عندما تخرج وتنظر لأعلى ، من أين أتى كل هذا؟ ماذا يوجد هناك؟ إلى أي مدى يذهب؟ لقد كنت محظوظًا بما يكفي لأنني تمكنت من قضاء حياتي في العمل في هذا المجال والقيام بذلك.

Graihagh - محظوظة بما يكفي لرؤية كل عملها الشاق يؤتي ثماره. لكن كيف اكتشفها LIGO؟

شيلا - عندما يتم إنتاجهما ، بالطبع ، هناك كمية هائلة من الطاقة عند اصطدام ثقبين أسودين ، ولكن بعد ذلك يجب أن ينتشر هذا ويتنقل عبر الكون. لذا ، عندما تصل إلينا هنا على الأرض ، تكون هذه إشارة صغيرة وهذا يعني أنه من الصعب علينا بناء أدوات حساسة بما يكفي للقيام بذلك. والطريقة التي نقوم بها هي أن نأخذ الضوء من الليزر ، ونقسم ضوء الليزر هذا إلى قسمين ونرسله على طول مسارين طولهما أربعة كيلومترات. تضرب المرايا في نهاية تلك المسارات ، تلك المرايا ترسل ضوء الليزر للخلف ، ثم يتراكم الضوء مرة أخرى هناك ، وما إذا كان يتراكم بحيث تحصل على نقطة مضيئة أو ما إذا كانت تلغي نفسها وتحصل على بقعة مظلمة ، يعتمد على المسافة التي قطعها الضوء على هذا المسار البالغ طوله أربعة كيلومترات. الآن ما تفعله موجة الجاذبية هو أنها تغير أطوال الذراعين ، والمسارات التي يقطعها الضوء ، وبشكل أساسي ، تقوم بذلك عن طريق هز المرايا التي وضعناها في الأسفل. تكمن المشكلة في أنها لا تهزها كثيرًا - إنها تهز تلك المرايا بحوالي 1/10000 من حجم البروتون داخل الذرة.

Graihagh - إذن كيف ستقيس ذلك؟

شيلا - إنه تحد كبير وهذا أحد الأسباب التي جعلت الأمر يستغرق عقودًا من العمل للقيام بذلك ، وهناك العديد من الأشياء الأساسية. أحد الأشياء المهمة للغاية ، بالطبع ، هو أخذ تلك المرايا التي ستهتزها موجة الجاذبية والتأكد من أن لا شيء آخر يهزها. لذلك ، لا يمكننا أن نجلسهم على الأرض لأن الأرض تتحرك طوال الوقت. إنها تهتز بسبب الزلازل البعيدة ، إنها تهتز فقط بسبب مرور الأشخاص الذين يقودون السيارات ، لذلك لا يمكننا فعل ذلك. بدلاً من ذلك ، ما نفعله هو أن نأخذ المرايا ونعلقها بالفعل.

Graihagh - الآن هذه ليست الطريقة التي تعلق بها مرآة على الحائط - لا شيء. لأن الموجة الثقالية التي تمر عبرها ستحرك مرآة بأقل من عرض البروتون وكل هذه الأشياء الأخرى التي ذكرتها شيلا: النشاط الزلزالي ، حتى السيارات ، من شأنه أن يحرك المرايا ويمكن أن يعطينا إيجابية خاطئة. إذن كيف تصنع مرآة ثابتة - أسمعك تسأل؟ أحد الأشياء الرئيسية هو ما تعلق به المرآة. استخدم LIGO زجاجًا عالي التقنية أو سيليكا لتعليقه لأن جزيئات السيليكا لا تتأرجح كثيرًا. يمكنك التفكير في هذا على أنه نوع من ممتص الصدمات الأكثر روعة. هذا يجعل المرآة شبه ثابتة. المكون الأساسي الأخير هو حقيقة أن هناك العديد من الأجهزة التي تسجل حركة مئات المكونات التي تتصل جميعها بالمرآة. إن معرفة مقدار تحرك هذه الأجزاء المختلفة من الآلات يعني أنها يمكن أن تفسر هذه الحركات الصغيرة بدقة كبيرة. الآن بعد أن صنعوا هذه المرايا الثابتة وحتى رصدوا موجة جاذبية واحدة ، فمتى يكتشفون الموجة التالية؟

شيلا - لا نعرف الإجابة على ذلك بعد. لدينا المزيد من البيانات ، ولم يكن لدينا الوقت للبحث هناك حتى الآن ومعرفة ما يوجد هناك. لذلك ، لا نعرف ، عليك الانتظار لتسمع منا ، لكننا نعدك بأننا نبحث بجدية.

Graihagh - شاهد هذا الفضاء بعد ذلك؟

شيلا - أو كما يقول زميلي في غلاسكو في كثير من الأحيان "شاهد وقت الفضاء هذا".


هل ستصل إلينا موجات الجاذبية البعيدة جدًا؟ - الفلك

عندما تنظر إلى السماء ليلاً ، ترى منظرًا خاصًا جدًا للكون. ترى الإشعاع الكهرومغناطيسي ، الضوء ، بأطوال موجية بصرية من أجسام مثل النجوم. إذا تمكنت عيناك من رؤية موجات الراديو ، وهي طول موجي آخر للضوء ، فسترى صورة مختلفة جدًا للكون. تختلف مصادر ضوء الراديو عن مصادر الضوء البصري. يريد علماء الفلك بناء جميع أنواع التلسكوبات المختلفة لرؤية النطاق الكامل للإشعاع الكهرومغناطيسي. يمكنك رؤية منظر مجرة ​​درب التبانة بجميع الأطوال الموجية المختلفة للضوء هنا (من هذه الصفحة) وقد تلاحظ أن المنظر الذي تحصل عليه مختلف تمامًا اعتمادًا على نوع التلسكوب الذي تقوم ببنائه.

طوال تاريخ علم الفلك تقريبًا ، رأينا الكون من خلال نافذة كهرومغناطيسية. لعقود عديدة ، كان علماء الفلك مهتمين برؤية الكون من خلال نافذة منفصلة تمامًا: نافذة الجاذبية. على عكس الموجات الكهرومغناطيسية ، فإن موجات الجاذبية هي تغيرات طفيفة جدًا في الزمكان والتي تجعل الأجسام تقترب أو تبتعد عن بعضها البعض بكميات ضئيلة. تم التنبؤ بها من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، وبالتالي فإن الاكتشاف يوفر دليلًا إضافيًا يدعم هذه النظرية. تعتبر مصادر موجات الجاذبية غريبة للغاية ، وأبرزها جسمان مضغوطان مثل النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء في مدار قريب. أثناء دورانها حول بعضها البعض ، تنبعث موجات الجاذبية من النظام. نظرًا لأن الطاقة تغادر النظام ، تتقلص المدارات ، حتى يندمج الجسمان في النهاية في حدث عنيف. ستسمح لنا ملاحظات موجات الجاذبية بدراسة ديناميكيات هذه الأنظمة على العديد من مقاييس الأحجام المختلفة.

في 11 فبراير 2016 ، أعلن التعاون مع مرصد مقياس الجاذبية بالليزر (LIGO) عن اكتشاف موجات الجاذبية من ثنائي ثقب أسود. هذا هو أول اكتشاف ملموس لنظام ثقب أسود مزدوج. كان كلا الثقبين الأسودين من أضخم الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية التي تم اكتشافها على الإطلاق (فوق الأجسام الأخرى المرشحة). لاحظوا أن كتلة الجسم المندمج أقل من كتلة المجموع ، مما يعني أن الفرق في الكتلة قد تم تحويله إلى كمية هائلة من الطاقة التي فُقدت كموجات ثقالية في حدث الاندماج (بما يصل إلى 5000 مستعر أعظم!). قاموا أيضًا بقياس دوران الثقب الأسود النهائي ، ومعدل اندماج الثقوب السوداء في الكون المحلي ، وأكثر من ذلك. جاء الكثير من الفهم الجديد للفيزياء من حدث موجة جاذبية واحدة.

منذ ذلك الحين ، تم الإبلاغ عن العديد من اكتشافات موجات الجاذبية ، وأبرزها الحدث الأول الذي ينطوي على اندماج نجمين نيوترونيين في عام 2017. ولأول مرة ، قام علماء الفيزياء الفلكية بقياس حدث موجة جاذبية كان له أيضًا نظير كهرومغناطيسي ، والذي لوحظ بواسطة عدة تلسكوبات على الأرض. يُعتقد أن عمليات اندماج النجوم النيوترونية هي من بين أكثر الأحداث نشاطًا في الكون ، حيث تطلق الطاقات التي يمكن أن تفسر الظروف الفيزيائية الفريدة حيث يتم إنتاج أثقل العناصر - مثل الذهب -. أدى اكتشاف ثنائي نجم نيوتروني إلى ظهور عصر مثير من متعدد الرسول علم الفلك، والتي ستجلب لنا بالتأكيد معرفة أكثر إثارة!

تم آخر تحديث لهذه الصفحة في 28 يناير 2019.

عن المؤلف

مايكل لام

مايكل لام طالب دراسات عليا بجامعة كورنيل وعضو في مرصد أمريكا الشمالية نانوهيرتز لتعاون موجات الجاذبية (NANOGrav). يعمل على تحسين دقة التوقيت لمجموعة من النجوم النابضة ذات الملي ثانية بهدف الكشف عن موجات الجاذبية ودراستها. أكمل شهادته الجامعية في جامعة كولجيت في علم الفلك والفيزياء وعلوم الكمبيوتر وهو في الأصل من مدينة نيويورك.


أخبار كبيرة: لأول مرة ، اكتشف علماء الفلك موجات الجاذبية من نجمين نيوترونيين اصطدما معًا!

منذ زمن بعيد ، كان زوج من النجوم النيوترونية على شفا كارثة.

تشكل هذان الجسمان الكثيفان للغاية من نجوم ضخمة قبل مليارات السنين ، وكانا يرقصان حول بعضهما البعض منذ أن كان الكون صغيرًا. كما فعلوا ، قاموا ببطء بتسريب الطاقة بعيدًا على شكل موجات الجاذبية ، وتموجات في نسيج المكان والزمان. ببطء ، ببطء شديد ، اقتربوا أكثر ، ودوروا بشكل أسرع شيئًا فشيئًا حيث أصبح مدارهم المشترك أكثر إحكامًا.

كانت الموجات التي أطلقوها همسة في البداية ، بالكاد أثرت على الفضاء من حولهم. ولكن ، على مر الدهور ، نما الهمس ، حتى أصبح فقدان الطاقة أكثر من اللازم. في المللي ثانية القليلة الأخيرة ، تدور حول بعضها البعض بجزء كبير من سرعة الضوء ، تحول الهمس من موجات الجاذبية إلى صراخ ، ثم هدير.

في تلك اللحظة ، نمت الجاذبية المتبادلة والشرسة للنجمين النيوترونيين بشكل ساحق: لقد مزقوا بعضهم البعض حرفيا. في مركز العاصفة كانت الجاذبية شديدة لدرجة أن المادة تحطمت للداخل ، ووصلت موجات الجاذبية المنبعثة إلى درجة حرارة مرتفعة. كانت المادة تحت هذه القوة لدرجة أنها أحدثت فجوة في المكان والزمان: ولد ثقب أسود. وكان صرخة موجات الجاذبية صرخة ولادتها.

عندما بدأت تلك الفوضى حول الثقب الأسود المتشكل حديثًا في تنظيم نفسه ، ركزت مجموعة قوى ساحرة معقدة بشكل هائل أيضًا انفجارات مزدوجة من الطاقة صعودًا وهبوطًا من الفوضى ، نبضات ضوئية ضخمة تصرخ بعيدًا في سواد الفضاء.

يُظهر العمل الفني لحظة اصطدام النجم النيوتروني ، مع إطلاق حزم من الطاقة وموجات الجاذبية التي تهز التموجات في الفضاء والزمان المتواصل. الائتمان: NSF / LIGO / جامعة ولاية سونوما / أ. سيمونيت

تحركت التموجات في الفضاء من موجات الجاذبية إلى الخارج ، تليها عن كثب أشعة الضوء القوية. لقد سافروا لمدة 130 مليون سنة قبل أن يصلوا إلى الأرض. بعد أن خفت طول رحلتها ، مرت الأمواج عبر كوكبنا ، مما أدى إلى شدها قليلاً. بعد ثانيتين فقط ، نزل ضوء الكارثة على كوكبنا أيضًا.

ومضات الطاقة من اندماج النجوم النيوترونية ، التي أُرسلت عبر الكون قبل أن يقطع T. rex الأرض ، تصل إلى أدوات علماء الفلك على الأرض وفوقها. ولم يشر إلى ولادة ثقب أسود فحسب ، بل أشار أيضًا إلى نوع جديد من علم الفلك.

كما قد تتوقع ، هذه أخبار كبيرة جدًا. لقد انتظر علماء الفلك وقتًا طويلاً جدًا لرؤية هذا النوع من الأحداث بالضبط.

النجم النيوتروني هو البقايا شديدة الكثافة من لب نجم ضخم بعد أن تنفجر الطبقات الخارجية في مستعر أعظم. إذا دار نجمان ضخمان حول بعضهما البعض ، يمكن أن يصبح كلاهما نجمين نيوترونيين. بعد مليارات السنين ، تصاعدت معًا واندمجت ، مما أدى إلى انفجار كارثي يسمى انفجار أشعة جاما. يتم إطلاق حزم هائلة من الطاقة بعيدًا عن القطبين ، مركزة بواسطة المجالات المغناطيسية القوية للغاية للنجمين.

يُظهر هذا الفيديو نماذج حاسوبية من اندماج النجوم النيوترونية ، وكيف تتحد مجالاتها المغناطيسية لتكوين تلك الحزم.

إذا كنت تهتم بأخبار علم الفلك ، فقد تعلم أنه تم اكتشاف أربعة أحداث موجات ثقالية بشكل إيجابي بواسطة مرصد موجات الجاذبية بالليزر أو LIGO. يحدث هذا بسبب اندماج اثنين من الثقوب السوداء الهائلة حيث أنهما يتصاعدان معًا ، وهما يهزان سلسلة الزمكان ، مما يخلق تموجات فيه تتوسع قليلاً مثل الأمواج في بركة عندما تقذف صخرة ثقيلة. هذه تمتد حرفياً وتضغط الفضاء ، ولكن بحلول الوقت الذي تصل فيه هذه الموجات إلينا ، تكون ذات سعة منخفضة للغاية وتتخذ قياسات دقيقة بشكل لا يصدق لرؤيتها. تم تصميم LIGO لاكتشافها.

تم اكتشاف أول حدث من هذا القبيل في عام 2015. وشوهدت ثلاثة أحداث أخرى ، وكان آخرها في أغسطس 2017 عندما انضمت إلى LIGO منشأة أخرى ، برج العذراء ، في أوروبا. معًا ، زادت حساسيتهم ، مما سمح لهم باكتشاف موجات الجاذبية الأكثر خفوتًا.

كان الأمل لبعض الوقت هو أن تكون هذه المراصد المحسّنة قادرة على اكتشاف اندماجات النجوم النيوترونية أيضًا ، والتي تكون أقل طاقة من تصادمات الثقوب السوداء ، وبالتالي يصعب اكتشافها.

أصبح هذا الأمل حقيقة في الساعة 12:41 بالتوقيت العالمي المنسق في 17 أغسطس 2017 (بعد ثلاثة أيام فقط من آخر اكتشاف للثقب الأسود). تم تلقي إشارة خافتة في أجهزة الكشف في تلك اللحظة ، مطابقة لملف تصادم نجم نيوتروني / نجم نيوتروني. أطلق عليها علماء الفلك اسم GW170817: حدث موجة جاذبية شوهد في 17 أغسطس 2017. كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اكتشاف موجات الجاذبية من مثل هذا الحدث على الإطلاق!

ولكن ما يجعل هذا الأمر أكثر إثارة هو أن تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الذي يدور عالياً فوق الأرض اكتشف أيضًا وميضًا ضعيفًا من أشعة جاما بعد ثانيتين فقط. يحتوي Fermi على أدوات مصممة للبحث عن انفجارات أشعة جاما (GRBs) ، الانفجارات القوية المدمرة للروح التي تنبعث عند ولادة الثقوب السوداء. أشعة جاما هي أعلى أشكال الضوء للطاقة ، وتُرسل في انفجار شرس في لحظة تشكيل ثقب أسود جديد ، وقد كنا نكتشفها من النجوم المتفجرة ونجوم النيوترونات المندمجة منذ عقود حتى الآن. الاندفاع الذي شوهد للتو ، GRB 120817A ، هو واحد من المئات التي شوهدت بالفعل ، وفي الواقع انفجار ضعيف إلى حد ما عند ذلك.

لكن ضعف الانفجار يتناقض مع الطبيعة غير العادية للحدث: هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اكتشاف GRB جنبًا إلى جنب مع موجات الجاذبية من تشكيل الثقب الأسود!

هذا هو بشكل لا يصدق مهم. من الصعب للغاية تحديد الاتجاه إلى مصدر موجات الجاذبية باستخدام LIGO / Virgo ، لكن اكتشاف فيرمي لأشعة جاما أدى إلى تضييق الموقع في السماء بدقة أعلى بكثير.

تم استخدام التلسكوب الكبير جدا لتحديد GW170817 في NGC 4993 وهي النقطة الموجودة أعلى وإلى يسار قلب المجرة. الائتمان: ESO / AJ. ليفان ، ن. تنفير

وهذا هو المكان الذي يتحسن فيه الأمر: تم إخطار علماء الفلك حول العالم على الفور ، وفي غضون ساعات كانوا يتدافعون للبحث عن البقعة المستهدفة في السماء. تمت مقارنة الصور التي تم التقاطها باستخدام تلسكوب Henrietta Swopes الذي يبلغ طوله مترًا واحدًا في مرصد لاس كامباناس في تشيلي بالصور التي تم التقاطها في وقت سابق من نفس المنطقة ، وبعد النظر إلى تسع صور فقط تم التقاطها في paydirt: نقطة ضوئية جديدة تقع بالقرب جدًا من مركز المجرة NGC 4993 ، مجرة ​​قديمة ولكنها مضيئة تبعد عنا 130 مليون سنة ضوئية.

كان لتلك النقطة المتواضعة أهمية كبيرة. لأول مرة ، وجد علماء الفلك الشفق المرئي من اندماج نجم نيوتروني تم اكتشافه أيضًا بواسطة موجات الجاذبية.

بصفتي عالم فلك يمكنني أن أخبرك أن طبيعة هذا لا تقل عن اختراق. مع اكتشاف الشفق اللاحق ، تتوفر كمية هائلة من البيانات. تعني المسافة إلى المجرة أننا نعرف مقدار الطاقة المنبعثة. أثبت المعدل الذي تلاشى به أنه ليس مجرد مستعر أعظم نموذجي ، نجم متفجر يتلاشى على مدار أسابيع وشهور ، حيث سقط هذا النجم مثل الصخرة في غضون أيام قليلة.

التقطت كاميرا Dark Energy GW170817 بعد ساعات فقط من الحدث ، ثم مرة أخرى بعد أسبوعين ، وبحلول ذلك الوقت ، تلاشت الصورة لتصبح غير مرئية. الائتمان: إم سواريس سانتوس ، دي إي هولز ، جيه أنيس

يمكن فحص المواد التي انفجرت إلى الخارج من الانفجار. يتكون من مكونين ، أحدهما ينتشر بشكل رفيع ويتحرك بسرعة كبيرة - تمامًا ثلث سرعة الضوء! - وسماكة ، أبطأ ، تتحرك للخارج على مهل أكثر ، لكنها لا تزال مذهلة ، سرعة الضوء 1/10.

مع ملاحظة المزيد من التلسكوبات للحدث ، تم تعلم المزيد. أظهرت موجات الراديو والأشعة السينية المنبعثة أن أشعة المادة والطاقة المنبعثة من الانفجار كانت موجهة بعيدًا عنا قليلاً ، ربما بنحو 30 درجة. عندما اصطدمت هذه المادة بالمادة داخل المجرة المضيفة ، تباطأت وانتفخت إلى الخارج ، اتسعت الأشعة ، ونشرت هدفها ، ونحن على الأرض بعيدًا جدًا التقطنا حوافها. هذا هو السبب في أن انفجار أشعة غاما كان خافتًا ، على الرغم من أن هذا الجسم كان قريبًا جدًا بالمعنى الكوني بالنسبة لمعظم GRBs ، إلا أننا رأينا حافة الانفجار فقط. كانت الطاقة المستلمة تقريبًا ساطعة بمقدار جزء من الألف من سطوع شبكات GRB الأخرى مثلها في أي مكان آخر لو كانت الحزم موجهة إلينا مباشرة ، لكان هذا حدثًا ساطعًا بشكل هائل (لكي أكون واضحًا ، أعني ساطعًا لعالم فلك أنه لا يزال سيأخذ تلسكوب لاكتشافه).

عمل فني يصور لحظة الاصطدام بين نجمين نيوترونيين. الانفجار الناتج… كبير جدا. الائتمان: دانا بيري ، SkyWorks Digital ، Inc.

وهذا يتحسن بعد. أخذ علماء الفلك أطياف الشفق اللاحق ، وقاموا بتقسيم الضوء إلى ألوان فردية. هذا يسمح باستخلاص الكثير من المعلومات حول المصدر. ما وجدوه هو أن طريقة توهج المادة وتلاشيها كانت متسقة مع إنشاء ما نسميه عناصر عملية r: كان الانفجار قويًا لدرجة أن العناصر الأخف كانت قادرة على التقاط النيوترونات المرتدة بسرعة داخل موجة الانفجار ، مما يؤدي إلى الخيمياء النجمية وتغيير تركيبها الذري إلى عناصر أثقل. ما هي العناصر؟ منها مثل الذهب والبلاتين.

هل ترتدي مجوهرات ذهبية؟ ربما تستخدم بعض أجزاء الكمبيوتر التي تقرأ عليها هذه المقالة الذهب و / أو البلاتين للعمل. حتى الآن ، لم نكن متأكدين تمامًا من كيفية تكوين هذه العناصر في الكون ، حيث كان يُعتقد أنها تشكلت في انفجارات سوبر نوفا عادية ، لكن الفيزياء كانت تقول إنه يجب إنشاؤها في مكان آخر. الآن نحن نعرف أين.

هل ترى؟ تم إنشاء هذه العناصر في قلب الاندماج الكارثي لنجمين نيوترونيين ضخمين منذ مليارات السنين في مكان ما في مجرتنا ، وهو انفجار هائل ولكنه قصير ترك وراءه ثقبًا أسودًا ونثر تلك العناصر الثمينة في الفضاء. قاموا بزرع سحابة من الغاز والغبار ، والتي انهارت هي نفسها لتشكل الشمس ، الكواكب. والأرض. بعد 4.56 مليار سنة ، استخرجنا هذه المواد من كوكبنا ، وأعجبنا بها ، واستخدمناها لتزيين أنفسنا ، وصنعنا آلات سمحت لنا بفهم كيفية تشكل هذه العناصر في المقام الأول.

خلق الكون الظروف التي يمكنه من خلالها دراسة نفسه. هذا ما تعنيه هذه الدفعة الجديدة.


يرى ليجو أول موجات جاذبية على الإطلاق حيث يلتهم ثقبان أسودان بعضهما البعض

بداية أفضل في إبراز بعض ميداليات جائزة نوبل الجديدة: أفاد العلماء أنهم ، لأول مرة في التاريخ ، اكتشفوا موجات الجاذبية.

ويا نعم ، هذا هو جدا صفقة كبيرة. سيفتح مجالًا جديدًا تمامًا لعلم الفلك ، طريقة جديدة لمراقبة الكون. عنجد.

موجات الجاذبية (يجب عدم الخلط بينها وبين موجات الجاذبية ، والتي هي أمر مختلف تمامًا) هي تموجات في نسيج الزمكان ، تحدث عندما يتم تسريع جسم ضخم. بحلول الوقت الذي يصلون فيه إلى هنا من أجسام فلكية بعيدة ، يكون للأمواج طاقة منخفضة بشكل لا يصدق ويصعب اكتشافها بشكل كبير ، ولهذا السبب استغرق اكتشافها قرنًا منذ أن تم التنبؤ بها لأول مرة بواسطة نظرية النسبية العامة لأينشتاين. تم العثور على كل تنبؤات أخرى حول GR صحيحة بشكل أساسي ، ولكن كان من الصعب للغاية إثبات وجود موجات الجاذبية بشكل مباشر.

حتى الآن. وما تسبب في موجات الجاذبية التي اكتشفوها في مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية هو أمر مذهل ومذهل مثل الموجات نفسها: لقد التقطوا دوامة الموت وعواقب اثنين من الثقوب السوداء الضخمة على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض ، ودمجا معًا في حدث جبار وعنيف بشكل كارثي.

ضع في اعتبارك ، لقد كان لدينا بعض الأدلة الجيدة على وجود مثل هذه الثقوب السوداء الثنائية قبل ذلك ، ولكن هذه النتيجة الجديدة تثبت إلى حد كبير وجودها وأنها ، بمرور الوقت ، تصطدم وتندمج في النهاية. انه ضخم.

كانت الثقوب السوداء كتلتها 36 و 29 ضعف كتلة الشمس قبل أن تندمج. بعد قاموا بدمجهما وخلقوا ثقبًا أسودًا واحدًا كتلته 62 ضعف كتلة الشمس. قد تلاحظ أن هذه الكتل لا تتراكم فهناك 3 كتل شمسية مفقودة. هذه الكتلة لم تختف فقط! تم تحويلها إلى طاقة: طاقة موجات الجاذبية نفسها. و ال كمية من الطاقة مذهل: أطلق هذا الحدث الفردي قدرًا من الطاقة مثل الشمس في 15 تريليون سنوات.

أنا أعرف. لا يوجد شيء في هذه القصة ليس رائعًا بشكل لا يصدق.

البيانات الفعلية التي تم تلقيها من قبل اثنين من مرافق LIGO. ترجع الاهتزازات في الرسم البياني إلى الالتواء المادي للفضاء مثل موجات الجاذبية المنبعثة من الثقوب السوداء المندمجة التي مرت عبر الأرض. الائتمان: أبوت وآخرون. 2016

لذا ، لفهم كل هذا بشكل أفضل ، ستحتاج إلى القليل من الخلفية. هذه كلها أشياء مثيرة للعقل ، لكنني أعدك بأنها تستحق ذلك.

ما هي موجة الجاذبية على أي حال؟

تتمثل إحدى نتائج نظرية النسبية العامة لأينشتاين في أن المكان والزمان وجهان لشيء واحد ، وهو ما نسميه الزمكان. هناك الكثير من المقارنات له ، لكن يمكنك التفكير فيه على أنه نسيج الفضاء ، نسيج رباعي الأبعاد (ثلاثة من الفضاء وواحد من الزمن) نندمج فيه جميعًا. تذكر ، الأمر ليس كذلك حرفيا مثل هذا نحن نستخدم القياس. لكنها ستساعدك على تصور ذلك.

نحن نفكر في الجاذبية كقوة تجذبنا نحو شيء ما. لكن أينشتاين أعاد تصورها ، واعتبرها نتيجة لالتواء الزمكان. جسم ضخم يشوه شكل الفضاء ، ويتسارع جسم آخر يتحرك عبر ذلك الفضاء المشوه. نحن نرى ذلك على أنه جاذبية. بعبارة أخرى ، تخبر المادة الفضاء كيف ينحني ، ويخبر الفضاء المادة كيف تتحرك.

الأجسام ذات مساحة الالتواء الكتلية ، والتي نشعر بها على أنها جاذبية. Credit: ESA/C.Carreau

Another outcome of the mathematics of GR is that if a massive object is accelerated, it will cause ripples, waves, to move away from itself as it moves. These are actually ripples in the fabric of spacetime itself! Spacetime expands and contracts in complicated ways as a wave passes, a bit like how ripples will move out from a rock dropped into a pond, distorting the surface of the water.

There are lots of ways to generate gravitational waves. The more massive and dense an object is, and the harder it accelerates, the sharper and more energetic the waves are. The Earth moves around the Sun once per year, accelerated by the Sun’s gravity. But the motion is too slow and the Earth’s mass too low to ever hope to detect the mushy waves emitted.

But if you have two much more massive objects—like, say, neutron stars, the über-dense cores of stars that have previously exploded—they do generate waves that we can see.

In fact, we have! Kinda. In 1974, a binary neutron star system was discovered by astronomers Joseph Taylor and Russell Hulse. These two massive objects orbited each other very rapidly, once every eight hours or so. As they do, they emit a tiny bit of energy in the form of gravitational waves. That energy comes from the orbital energy of the stars themselves, so as they emit gravitational waves, they lose orbital energy. The orbit shrinks, and the time it takes the two stars to revolve around each other drops. Over time, that “orbital decay” can be very precisely measured … and it was seen! Not only that, it matched the prediction of GR تماما.

The measured orbital decay of the two neutron stars (red crosses) matches the mathematcial prediction (smooth line) extremely well. Credit: Inductiveload/Wikimedia

Taylor and Hulse won the Nobel Prize for this. And they only detected gravitational waves indirectly. They saw how the loss of energy by emitting the waves affected the stars’ orbits. But they didn’t detect the waves themselves.

So How Did LIGO Do It?

Gravitational waves come in many shapes and forms, but what they all do is infinitesimally distort the shape of space. But how do you measure that? It’s not like you can hold a ruler up between two objects and measure how their distance apart changes when a wave passes through …

… right? اه انتظر. It turns out you تستطيع.

Enter LIGO: The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. LIGO is actually two facilities, one located in Washington state and the other in Louisiana (jointly operated by Caltech and MIT). Neither is what you might think of as an astronomical observatory: They each consist of very long pipes arranged in an L-shape. At the far end of each 4-kilometer-long pipe is a mirror.

One of the LIGO facilities seen from the air. Credit: LIGO

A very powerful laser sits near the vertex of the L, where the pipes meet. It sends out a pulse of light into a special mirror that splits the beam, sending half of it down one pipe, and the other half down the other pipe. Each mirror reflects is beam back down the pipe, and then they’re recombined inside a detector.

Here’s a video (credit: NSF) describing how this works:

Let me add what’ll seem like a bit of a non sequitur to help make this clear: Have you ever sat in a tub of water and sloshed your body back and forth? If you time it just right, you can amplify the wave of water coming back at you, making it splash higher. You can also time it just right so that you move in a way to negate the wave coming at you, too.

The motion of your body sets up the first wave. When you move again, you make a second wave. It the crest of the first wave hits the crest of the second wave, they amplify each other. If the trough of the second wave hits the crest of the first one, they negate each other.

This is called interference. Where the waves amplify it’s constructive interference, and where they negate each other its destructive interference.

Light is a wave. If the laser and the two mirrors in LIGO are set up just right, then the two beams will interfere with each other when they reach the detector. Interference patterns, called fringes, can be seen when you do that, and the exact pattern seen depends, in part on the exact distance between the mirrors. If one mirror moves a tiny bit relative to the other, then the fringe pattern changes.

See where this is going? If a gravitational wave passes through LIGO, one mirror will move a teeny tiny amount relative to the other, and that will create a change in the fringe pattern. Fringes are sensitive to extremely small changes in mirror position, so this is a great way to look for gravitational waves.

How sensitive? A typical gravitational wave will move the mirrors by about 0.0001 times the size of an atomic nucleus! So yeah, they’re sensitive.

LIGO has two such setups located thousands of kilometers apart to help distinguish real astronomical sources from things like earthquakes, trucks driving by, and so on. LIGO first went into operation in 2002. Over nearly a decade it looked but found no gravitational waves. In 2010 it shut down for a significant upgrade, making it far more sensitive. This new configuration started observing in September 2015.

Apparently, all this time they were right on the threshold of detection. Once the more sensitive rig was employed, it didn’t take long before they hit paydirt: This signal was detected on Sep. 14!

What Did They See?

Now we’re ready to put all this together.

Imagine two black holes in a very tight orbit around each other. Both are massive, and whipping around each other at a large fraction of the speed of light. They’ll be pouring out gravitational waves, ripples in spacetime expanding away at the speed of light. It’s possible LIGO could detect something like that, but there’s more to this.

As the black holes whirl madly and emit gravitational waves, they lose orbital energy. Like the neutron stars that got Taylor and Hulse their Nobel, the orbit of the two black holes shrinks. They revolve around each other ever faster.

This change in their orbital rate affects the waves they emit. The frequency of the waves (how many are emitted per second) depends on how rapidly the two objects orbit each other. As the orbit of the black holes shrinks, they revolve around each other faster, and the frequency of the gravitational waves goes up. But, since the black holes are moving more rapidly, they emit even more waves, so they lose energy faster, so they emit even أكثر waves.

This is a runaway effect. The black holes get closer and closer together, whirl around each other faster, emit more and stronger gravitational waves with a higher frequency … until the black holes eat each other! They merge, becoming one (slightly larger) black hole.

What LIGO sees when this happens is the signature of the gravitational waves, with the frequency going up all the time. Sound is also a wave, and the frequency of sound waves is what we interpret as its pitch. A higher frequency sound has a higher pitch it’s a higher note, if you prefer.

As the black holes get close to merging, their frequency rockets up. In the sound analogy, it’s like they’re singing a note, and as they get closer the note gets stronger and stronger and higher and higher. At the end, the increase in pitch is so rapid it goes way up extremely quickly: This is a chirp.

Literally, a chirp is a sound where the frequency increases rapidly (listen to one here). So the signature of two black holes (or neutrons stars, or even white dwarfs) inspiraling and merging is a chirp in the gravitational waves. If you catch that, you’ve witnessed the black holes at The Moment Of Truth, when two become one.

And one last bit that boosts confidence: The signal from the merging black holes was detected in the Washington state detector first, then in the Louisiana detector 7 milliseconds later. That delay was due to the waves moving at the speed of light across space!

This merger is simply astonishing. It’s one of the most catastrophic events in the Universe, and until just last year we were essentially blind to it.

With this detection by LIGO, a new era in astronomy begins. In many cases, the gravitational waves are emitted from objects we can’t see directly, like black holes merging, or binary neutron stars. Sometimes, though, these objects do emit visible light. A supernova—an exploding star—can emit gravitational waves. Even more dramatically, when two neutron stars merge and form a black hole, they release not just gravitational waves, but also a huge flash of energy in the form of gamma rays and even visible light. These gamma-ray bursts occur in the Universe every day, and we see them all the time. If we can also detect the emitted gravitational waves from them, it will help astronomers understand these bizarre and incredibly violent phenomena.

Even better, we’re not starting fresh. Last year, the European Space Agency launched LISA Pathfinder into space. LISA stands for Laser Interferometer Space Antenna, and is basically a super-LIGO in space. LISA Pathfinder is a benchmark mission to test the very sophisticated technology involved. If it works, then a full-up LISA may be launched in the coming years, which will consist of three separate detectors separated in space by millions of kilometers. Its sensitivity will be far, far higher than LIGO’s, and will rip the field of gravitational wave astronomy wide open.

Whenever we find a new window into the Universe—radio waves, gamma rays, even the invention of the telescope itself—immense wonders have been our reward. In the vast majority of cases we had no clue what was waiting for us once we peered outwards in a new way. Stars numbered beyond imagining, galaxies packed together clear across the cosmos, planets, nebulae, and even an eventual understanding of how the Universe came to be, how it changes, and how it will evolve in the future.

The treasures, the beauty, the knowledge, have fundamentally changed how we humans see ourselves and our place in the Universe. And here we stand, our hand on another window, ready to throw it open.


LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

The first successful identification gravitational waves occurred in 2015 with LIGO, an observatory consisting of two separate sets of equipment located far apart in the USA. Despite the idea being conceived in the 1980s and observations starting from 2002, the results were obtained only in 2015, when the technology was sufficiently advanced.

How does LIGO work?

LIGO is in principle a laser interferometer, as described in the previous section. However, given the weakness of gravitational waves, the set-up had to be huge enough and sensitive enough to detect the most minute results.

For this, each individual interferometer consisted of a 4 km long L-shaped tunnel, in which the laser beams travelled distances over a 1000 km by multiple reflections. Then, the sensors are sensitive enough to detect a change less than ten thousand times smaller than a proton’s width. For comparison, if the whole distance to the nearest star to the Solar system was used as a reference, the change was less than a hair’s thickness.

Two observatories were used, far apart, so that meaningless noise could be filtered out and only the actual signal would be recorded.

How LIGO works. The interferometer senses minuscule distortions in space caused by gravitational waves. (Source)

The successes

After over a decade of null results, LIGO obtained its first success in 2015. It observed the fusion of a pair of black holes, which first orbited each other before merging.

While the black holes themselves merged 1.3 billion years ago, it took so long for the waves from them to reach us and be detected. The gravitational wave carried away the mass lost by the black holes in the form of energy.

This was followed by further detection of black hole mergers in 2016 and 2017. In an even more startling step forwards, LIGO observed the merger of two neutron stars, which are visible, unlike black holes, in 2017.

Black hole merger, as visualized by an artist. Source.

The scientific community gave LIGO its due recognition. It, along with contributors, received the Special Breakthrough Prize Award in Fundamental Physics in 2016. The scientists who were part of its journey, Rainer Weiss, Kip Thorne and Barry Barish, received the Nobel Prize in Physics in 2017.


Astronomers Surprised by Lingering X-rays Years After Landmark Neutron Star Collision

It’s been three years since the landmark detection of a neutron star merger from gravitational waves. And since that day, an international team of researchers led by University of Maryland astronomer Eleonora Troja has been continuously monitoring the subsequent radiation emissions to provide the most complete picture of such an event.

Their analysis provides possible explanations for X-rays that continued to radiate from the collision long after models predicted they would stop. The study also reveals that current models of neutron stars and compact body collisions are missing important information. The research was published on October 12, 2020, in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Researchers have continuously monitored the radiation emanating from the first (and so far only) cosmic event detected in both gravitational waves and the entire spectrum of light. The neutron star collision detected on August 17, 2017, is seen in this image emanating from galaxy NGC 4993. New analysis provides possible explanations for X-rays that continued to radiate from the collision long after other radiation had faded and way past model predictions. Credit: E. Troja

“We are entering a new phase in our understanding of neutron stars,” said Troja, an associate research scientist in UMD’s Department of Astronomy and lead author of the paper. “We really don’t know what to expect from this point forward, because all our models were predicting no X-rays and we were surprised to see them 1,000 days after the collision event was detected. It may take years to find out the answer to what is going on, but our research opens the door to many possibilities.

The neutron star merger that Troja’s team studied — GW170817 — was first identified from gravitational waves detected by the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory and its counterpart Virgo on August 17, 2017. Within hours, telescopes around the world began observing electromagnetic radiation, including gamma rays and light emitted from the explosion. It was the first and only time astronomers were able to observe the radiation associated with gravity waves, although they long knew such radiation occurs. All other gravity waves observed to date have originated from events too weak and too far away for the radiation to be detected from Earth.

Seconds after GW170817 was detected, scientists recorded the initial jet of energy, known as a gamma ray burst, then the slower kilonova, a cloud of gas which burst forth behind the initial jet. Light from the kilonova lasted about three weeks and then faded. Meanwhile, nine days after the gravity wave was first detected, the telescopes observed something they’d not seen before: X-rays. Scientific models based on known astrophysics predicted that as the initial jet from a neutron star collision moves through interstellar space, it creates its own shockwave, which emits X-rays, radio waves and light. This is known as the afterglow. But such an afterglow had never been observed before. In this case, the afterglow peaked around 160 days after the gravity waves were detected and then rapidly faded away. But the X-rays remained. They were last observed by the Chandra X-ray Observatory two and a half years after GW170817 was first detected.

The new research paper suggests a few possible explanations for the long-lived X-ray emissions. One possibility is that these X-rays represent a completely new feature of a collision’s afterglow, and the dynamics of a gamma ray burst are somehow different than expected.

“Having a collision so close to us that it’s visible opens a window into the whole process that we rarely have access to,” said Troja, who is also a research scientist at NASA’s Goddard Space Flight Center. “It may be there are physical processes we have not included in our models because they’re not relevant in the earlier stages that we are more familiar with, when the jets form.”

Another possibility is that the kilonova and the expanding gas cloud behind the initial jet of radiation may have created their own shock wave that took longer to reach Earth.

“We saw the kilonova, so we know this gas cloud is there, and the X-rays from its shock wave may just be reaching us,” said Geoffrey Ryan, a postdoctoral associate in the UMD Department of Astronomy and a co-author of the study. “But we need more data to understand if that’s what we’re seeing. If it is, it may give us a new tool, a signature of these events that we haven’t recognized before. That may help us find neutron star collisions in previous records of X-ray radiation.”

A third possibility is that something may have been left behind after the collision, perhaps the remnant of an X-ray emitting neutron star.

Much more analysis is needed before researchers can confirm exactly where the lingering X-rays came from. Some answers may come in December 2020, when the telescopes will once again be aimed at the source of GW170817. (The last observation was in February 2020.)

“This may be the last breath of a historical source or the beginning of a new story, in which the signal brightens up again in the future and may remain visible for decades or even centuries,” Troja said. “Whatever happens, this event is changing what we know about neutron star mergers and rewriting our models.”

Reference: “A thousand days after the merger: continued X-ray emission from GW170817” by E. Troja, H. van Eerten, B. Zhang, G. Ryan, L. Piro, R. Ricci, B. O’Connor, M. H. Wieringa, S. B. Cenko and T. Sakamoto, 12 October 12 2020, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/staa2626

Additional authors of the paper from the UMD Department of Astronomy are Faculty Assistant Brendan O’Connor and Adjunct Associate Professor Stephen Cenko.

This work was partially supported by NASA (Chandra Award Nos. G0920071A, NNX16AB66G, NNX17AB18G, and 80NSSC20K0389.), the Joint Space-Science Institute Prize Postdoctoral Fellowship, and the European Union Horizon 2020 Programme (Award No. 871158). The content of this article does not necessarily reflect the views of these organizations.


Extreme kick

We knew that smaller black holes could merge and rebound like this, but this is the first time the aftermath has been observed with supermassive ones.

“The amount of energy that you need to kick a supermassive black hole out like this is equivalent to 100 million supernovae exploding simultaneously,” says Chiaberge. “Nothing else can really do that.”

If the black hole really is being propelled by gravitational waves, they got lucky in spotting it. “This is an extreme kick – right on the edge of what we’d expect – so it would be a very unusual system,” says Daniel Holz at the University of Chicago.

Such an unusual system might help provide evidence that supermassive black holes do merge in our universe, a phenomenon for which we only have circumstantial evidence so far. “It’s a big question: do two supermassive black holes actually merge, or do they stall and basically orbit each other for the age of the universe?” says Chiaberge. “Seeing this proves indirectly that they can merge.”

It is still possible, though, that the black hole wasn’t actually kicked out at all and is just located behind the galaxy to which it seems to belong. “It could be incredibly extreme physics or it could be pedestrian astronomy,” says Holz. “Time will tell.”

مرجع المجلة: Astronomy & Astophysics, DOI: 10.1051/0004-6361/201629522


شاهد الفيديو: موجات الجاذبية. آخر نبؤات آينشتاين العظيمة! 8. يوسف البناي (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Brall

    من الجدير بالذكر ، إنها العبارة المضحكة

  2. Mikagore

    فكر رائع

  3. Yoll

    ما زلت أتذكر سن 18

  4. Conall

    وماذا سنتوقف؟



اكتب رسالة