Den första upptäckten av gravitationella vågor från den katastrofala sammanslagningen av två neutronstjärnor, och observation av synligt ljus i efterdyningarna av den sammanslagningen, äntligen svara på en långvarig fråga inom astrofysik:Var gör de tyngsta elementen, allt från silver och andra ädelmetaller till uran, komma från?

Baserat på ljusstyrkan och färgen på ljuset som släpps ut efter sammanslagningen, som nära matchar teoretiska förutsägelser från University of California, Berkeley och Lawrence Berkeley National Laboratory fysiker, astronomer kan nu säga att guldet eller platina i din vigselring med all sannolikhet var smidd under den korta men våldsamma sammanslagningen av två kretsande neutronstjärnor någonstans i universum.

Detta är den första upptäckten av en sammanslagning av neutronstjärnor av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) -detektorer i USA, vars ledare fick Nobelpriset i fysik för två veckor sedan, och Jungfrudetektorn i Italien. LIGO hade tidigare upptäckt gravitationella vågor från fyra sammanslagningar av svarta hål, och Jungfrun en, men sådana händelser bör vara helt mörka. Detta är första gången som ljus som associeras med en källa till gravitationella vågor har detekterats.

"Vi har arbetat i åratal med att förutsäga hur ljuset från en neutronsammanslagning skulle se ut, "sa Daniel Kasen, docent i fysik och astronomi vid UC Berkeley och forskare vid Berkeley Lab. "Nu har den teoretiska spekulationen plötsligt kommit till liv."

Neutronstjärnans sammanslagning, dubbad GW170817, upptäcktes den 17 augusti och telegraferade omedelbart till observatörer runt om i världen, som vände sina små och stora teleskop mot den himmelriksdel som den kom från. Krusningarna i rymdtiden som LIGO/Virgo mätt föreslog en sammanslagning av neutronstjärnor, eftersom varje stjärna i binären vägde mellan 1 och 2 gånger massan av vår sol. Förutom svarta hål, neutronstjärnor är de tätaste föremål som är kända i universum. De skapas när en massiv stjärna tar ut sitt bränsle och kollapsar på sig själv, komprimera en massa som är jämförbar med solens till en sfär som bara är 10 miles tvärs över.

Bara 1,7 sekunder efter att gravitationsvågorna registrerades, Fermi -rymdteleskopet upptäckte ett kort utbrott av gammastrålar från samma region, bevis på att koncentrerade strålar av energi produceras under sammanslagningen av neutronstjärnor. Mindre än 11 ​​timmar senare, observatörer fick sin första glimt av synligt ljus från källan. Den var lokaliserad till en känd galax, NGC 4993, ligger cirka 130 miljoner ljusår från jorden i riktning mot stjärnbilden Hydra.

Upptäckten av en sammanslagning av neutronstjärnor var överraskande, eftersom neutronstjärnor är mycket mindre än svarta hål och deras sammanslagningar ger mycket svagare gravitationella vågor än svarta hålsmältningar. Enligt Berkeley professor i astronomi och fysik Eliot Quataert, "Vi förväntade oss att LIGO skulle hitta en neutronstjärnsammanslagning under de kommande åren, men för att se det så nära - för astronomer - och så starkt i normalt ljus har överträffat alla våra vildaste förväntningar. Och, ännu mer fantastiskt, det visar sig att de flesta av våra förutsägelser om hur neutronstjärnans sammanslagningar skulle se ut som vanliga teleskop sett var rätt! "

LIGO/Virgo -observationerna av gravitationella vågor och upptäckten av deras optiska motsvarighet kommer att diskuteras vid en 10:e EDT -presskonferens på måndag, 16 oktober på National Press Club i Washington, D.C. samtidigt, flera dussin artiklar som diskuterar observationerna kommer att publiceras online av Natur , Vetenskap och den Astrofysisk tidskrift Brev.

Elementenas uppkomst

Medan väte och helium bildades i Big Bang för 13,8 miljarder år sedan, tyngre element som kol och syre bildades senare i stjärnornas kärnfusion av väte och helium. Men denna process kan bara bygga element upp till järn. Att göra de tyngsta elementen kräver en speciell miljö där atomer upprepade gånger bombarderas av fria neutroner. När neutroner fastnar vid atomkärnorna, element högre upp i det periodiska systemet är byggda.

Var och hur denna process för produktion av tunga element sker har varit en av de längsta frågorna inom astrofysik. Den senaste tiden har uppmärksammats på fusioner av neutronstjärnor, där kollisionen mellan de två stjärnorna kastar ut moln av neutronrik materia i rymden, där de kunde sättas ihop till tunga element.

Spekulationer om att astronomer kan se ljus från sådana tunga element spårar tillbaka till 1990 -talet, men tanken hade mest varit att samla damm fram till 2010, när Brian Metzger, sedan en nymyntad doktorand vid UC Berkeley, nu professor i astrofysik vid Columbia University, skrev tillsammans med Quataert och Kasen ett papper där de beräknade radioaktiviteten för neutronstjärnrester och uppskattade dess ljusstyrka för första gången.

"När skrotmolnet expanderar till rymden, "Sa Metzger, "sönderfallet av radioaktiva element håller det varmt, får det att lysa. "

Metzger, Quataert, Kasen och medarbetare visade att detta ljus från neutronstjärnans sammanslagningar var ungefär tusen gånger ljusare än normala nova -explosioner i vår galax, motivera dem att namnge dessa exotiska blixtar "kilonovaer".

Fortfarande, grundläggande frågor kvarstod om hur en kilonova faktiskt skulle se ut.

"Fusionsrester i neutronstjärnor är konstiga saker - en blandning av ädelmetaller och radioaktivt avfall, Sa Kasen.

Astronomer känner inte till några jämförbara fenomen, så Kasen och medarbetare fick vända sig till grundläggande fysik och lösa matematiska ekvationer som beskriver hur kvantstrukturen för tunga atomer avgör hur de avger och absorberar ljus.

Jennifer Barnes, en Einstein postdoktor vid Columbia, arbetade som doktorand i Berkeley med Kasen för att göra några av de första detaljerade förutsägelserna om hur en kilonova ska se ut.

"När vi beräknade opaciteten hos elementen som bildades i en neutronstjärnsammanslagning, vi hittade mycket variation. De lättare elementen liknade optiskt element som finns i supernovor, men de tyngre atomerna var mer än hundra gånger mer ogenomskinliga än vad vi är vana vid att se vid astrofysiska explosioner, "sa Barnes." Om tunga element finns i skräpet från sammanslagningen, deras höga opacitet bör ge kilonovaer en rödaktig nyans. "

"Jag tror att vi slog ut hela astrofysikgemenskapen när vi först meddelade att, "Sa Kasen." Vi förutspådde att en kilonova borde vara relativt svag och rödare än röd, vilket betyder att det skulle vara oerhört svårt att hitta. På plussidan, vi hade definierat en rökpistol - du kan se att du ser nyproducerade tunga element med sin distinkta röda färg. "

Det är precis vad astronomer observerade.

En "förrädisk förutsägelse"

LIGO/Virgo -upptäckten i augusti av en sammanslagning av neutronstjärnor innebar att "domens dag för teoretikerna skulle komma snabbare än väntat, Sa Kasen.

"I åratal hade idén om en kilonova existerat endast i vår teoretiska fantasi och våra datormodeller, "sa han." Med tanke på den komplexa fysik som är inblandad, och det faktum att vi i huvudsak hade noll observationsinput för att vägleda oss, det var en vansinnigt förrädisk förutsägelse - teoretikerna stack verkligen ut halsen. "

Men när data sipprade in, en natt efter den andra, bilderna började samlas till en förvånansvärt bekant bild.

De första par nätterna av observationer, färgen på fusionshändelsen var relativt blå med en ljusstyrka som matchade förutsägelserna för kilonovamodeller påfallande bra om de yttre lagren av fusionsskräpet är gjorda av lätta värdefulla element som silver. Dock, under de följande dagarna blev utsläppet alltmer rött, en signatur att de inre lagren i skräpmolnet också innehåller de tyngsta elementen, som platina, guld och uran.

"Den kanske största överraskningen var hur välskött den visuella signalen agerade jämfört med våra teoretiska förväntningar, "Noterade Metzger." Ingen hade någonsin sett en neutronstjärna fusionera på nära håll tidigare. Att sammanställa den fullständiga bilden av en sådan händelse innebär ett brett spektrum av fysik - allmän relativitet, hydrodynamik, kärnfysik, atomfysik. Att kombinera allt detta och komma med en förutsägelse som matchar naturens verklighet är en riktig triumf för teoretisk astrofysik. "

Kasen, som också var medlem i observationslag som upptäckte och genomförde uppföljningsobservationer av källan, minns ögonblickets spänning:"Jag höll mig uppe klockan tre natt efter natt, jämför våra modeller med de senaste uppgifterna, och tänker, 'Jag kan inte tro att det här händer; Jag tittar på något som aldrig tidigare setts på jorden, och jag tror att jag faktiskt förstår vad jag ser.

Kasen och hans kollegor har presenterat uppdaterade kilonovamodeller och teoretiska tolkningar av observationerna i en uppsats som släpptes 16 oktober före publicering i Natur . Deras modeller används också för att analysera en omfattande uppsättning data som presenteras i sju ytterligare artiklar som visas i Natur , Vetenskap och den Astrofysisk tidskrift .

Observationerna bekräftade inte bara de teoretiska förutsägelserna, men modelleringen gjorde det möjligt för Kasen och hans kollegor att beräkna mängden och den kemiska sammansättningen av det producerade materialet. Forskarna drog slutsatsen att cirka 6 procent av en solmassa av tunga element gjordes. Utbytet av guld enbart var cirka 200 jordmassor, och platina nästan 500 jordmassor.

Initialt, astrofysiker trodde att vanliga supernovor kan stå för de tunga elementen, men det har alltid funnits problem med den teorin, sa medförfattaren Enrico Ramirez-Ruiz, professor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz. Enligt Ramirez-Ruiz, de nya observationerna stöder teorin om att neutronstjärnfusioner kan stå för allt guld i universum, liksom ungefär hälften av alla andra element som är tyngre än järn.

"För det mesta inom vetenskapen arbetar du med att gradvis avancera ett etablerat ämne, "Sa Kasen." Det är sällsynt att det finns ett födelse av ett helt nytt område inom astrofysik. Jag tror att vi alla är väldigt lyckliga som har fått chansen att spela en roll. "

Kasens arbete stöds av U.S. Department of Energy, och simuleringar möjliggjordes av resurser från National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Kasens och Quataerts arbete stöds av Gordon och Betty Moore Foundation. Quataert stöds också av Simons Foundation.