Den 17 augusti, Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory (LIGO) upptäckte det femte fingeravtrycket av en massiv störning på rymdtiden sedan LIGO startade sin verksamhet i september 2015. Till skillnad från de första fyra uppsättningarna krusningar, som reflekterade kollisioner mellan två svarta hål, formen på dessa rumstidsförvrängningar föreslog en kollision mellan två neutronstjärnor.

Medan kollisioner med svarta hål ger nästan ingen signatur förutom gravitationella vågor, kollisionen mellan neutronstjärnor kan observeras - och observerades - upp och ner i det elektromagnetiska spektrumet. "När neutronstjärnor krockar, hela helvetet brakar loss, "sa Frans Pretorius, en professor i fysik i Princeton. "De börjar producera en enorm mängd synligt ljus, och även gammastrålning, Röntgen, radiovågor…."

Princetons forskare har studerat neutronstjärnor och deras astronomiska signaturer i decennier.

Neutronstjärnor och gammastrålar:Bohdan Paczynski och Jeremy Goodman

Gravitationsvågorna var det första beviset på att neutronstjärnans sammanslagning kom till jorden, följt av en gammastrålning som kom 1,7 sekunder senare.

Förbindelsen mellan neutronstjärnor och gammastrålningsutbrott identifierades först av Princeton astrofysiker 1986, sa James Stone, Lyman Spitzer Jr., Professor i teoretisk astrofysik och ordförande för Institutionen för astrofysiska vetenskaper. "Många av de upptäckter som meddelades [16 oktober] bekräftar de grundläggande förutsägelserna som gjordes för 30 år sedan här i Princeton."

Han syftade på en uppsättning back-to-back-papper av Bohdan Paczynski, avlidne Lyman Spitzer Jr. professor i teoretisk astrofysik, och Jeremy Goodman, en doktorsexamen från 1983 examen som studerade under Paczynski och är nu professor vid institutionen. I deras artiklar, Paczynski och Goodman hävdade att kolliderande neutronstjärnor kan vara källorna till gammastrålningsutbrott, en mystisk, kortlivad energikälla som först identifierades av satelliter i slutet av 1960-talet.

"Vi hänvisade båda till den möjligheten. Vem som först drev den idén? Jag vet inte, för vi var i ständig konversation, "Goodman sa." Vi visste att [neutronstjärnor] ibland måste kollidera - vi visste det på grund av [Princeton -fysikern och nobelpristagaren] Joe Taylors arbete. "

Dessutom, Paczynski hade insett att de flesta gammastrålningsutbrott kom från avstånd så långt att universums expansion påverkade deras uppenbara fördelning.

"Bohdan Paczynski hade helt rätt, "sade Goodman. Men hans idéer omfamnades inte direkt av fältet. "Jag minns att jag gick på en konferens i Taos, New Mexico. ... Bohdan höll ett kort föredrag om sin idé om att gammastrålningsutbrott kommer från kosmologiska avstånd. Jag minns dessa andra astrofysiker ... de var respektfullt tysta när han talade, men betraktade honom som lite av en galning. "

Han lade till, "Bohdan Paczynski var en mycket djärv tänkare."

Neutronstjärnor kolliderar:Joseph Taylor, Russell Hulse och Joel Weisberg

Möjligheten att kollidera neutronstjärnor som hade föranlett Paczynski och Goodmans diskussion dök först upp i en tidning från 1981 av Joseph Taylor, nu James S. McDonnell Distinguished University Professor i fysik, Emeritus. Hans upptäckt 1974 av binära neutronstjärnor med sin dåvarande doktorand Russell Hulse, som senare arbetade på Princeton Plasma Physics Laboratory, fick Nobelpriset i fysik 1993. De visade att de två neutronstjärnor de hade upptäckt separerades med ungefär en halv miljon mil och kretsade runt varandra var 7,75 timmar.

1981, strax efter att ha kommit till Princeton, Taylor och dåvarande biträdande professor Joel Weisberg meddelade att med exakta mätningar som tagits under flera år, de hade bekräftat att avståndet och perioden förändras med tiden, med ett orbital förfall som matchar Albert Einsteins förutsägelse för energiförlust på grund av gravitationell vågemission. Omloppet saktar ner så oändligt att det kommer att ta ungefär 300 miljoner år för neutronstjärnorna i Hulse-Taylor-binären att kollidera och smälta samman.

"När Hulne-Taylor-neutronstjärnans binär förstod, med efterföljande tidningsexperiment som visar överensstämmelse med allmän relativitet, det var klart att kollisioner skulle hända, "sa Steven Gubser, professor i fysik. "Så när vi firar den första gravitationsvågdetekteringen av kolliderande neutronstjärnor, låt oss också berömma Joe Taylor och Russell Hulse för deras ursprungliga upptäckt av binära pulsarer, och för demonstrationen att de i själva verket är neutronstjärnor som kretsar om varandra, väntar bara på att kollidera. "

Hur stjärnor går samman:Steven Gubser och Frans Pretorius

Tänk dig en fjärdedel som snurrar på en bordsskiva. När friktion blöder ut energi från systemet, kvartalet börjar vingla runt dess ytterkant, gör ett "whop ... whop ... whop ... whop" ljud som påskyndar (whop-whop-whop-whop) och snabbar upp (whopwhopwhopwhop) tills det bara är en sudd av ljud som stiger i tonhöjd till ett sista "whoooop" som kvartal plattar på bordet.

Det är den demonstration som Gubser och Pretorius gav när de beskrev hur svarta hål (eller neutronstjärnor) kolliderar - ett astronomiskt under som LIGO nu har upptäckt fem gånger. Vid ett nyligen tal för deras bok, "Den lilla boken med svarta hål, "publicerad av Princeton University Press, Gubser och Pretorius använde en skiva på cirka 30 cm i stället för en fjärdedel, så deras publik kunde lättare se och höra diskens långsamma men stadiga hastighetsökning.

"Du skulle vanligtvis tänka på att förlora energi som motsvarande att sakta ner, inte påskynda, men du såg med disken att det faktiskt kan gå åt andra hållet, "sa Gubser efteråt." När skivan tappar energi till friktion, dess kontaktpunkt rör sig snabbare och snabbare runt, och producerar den karakteristiska stigande frekvensen. "

Oavsett om de kolliderande föremålen är neutronstjärnor eller svarta hål - eller ett av varje - följer den virvlande rörelsen och dess ljud samma mönster. När gravitationsvågens energi blöder bort, de två objekten kommer att kretsa varandra snabbare och snabbare, på väg mot deras oundvikliga bortgång.

Vid kollisionen som LIGO upptäckte den 17 augusti, de två stjärnorna - vardera storleken på Manhattan och med nästan dubbelt så mycket solmassa - virvlade slutligen runt varandra hundratals gånger per sekund, rör sig med en betydande bråkdel av ljusets hastighet innan de kolliderade.

"Taylor och Weisbergs tidsexperiment visade början på detta mönster, som härrör från en långsam spiral, "sa Gubser." Frekvensen ökar mycket långsamt, och det var därför det var en så imponerande mätning. "

Däremot, han sa, "i den sista fasen av spiralen, frekvensen ökar snabbt, och du får den typ av 'whoop' eller 'chirp' vågform som LIGO såg. "

Vilka stjärnor skapar:Adam Burrows och David Radice

När stjärnor slår in i varandra med en märkbar bråkdel av ljusets hastighet, kollisionen smälter samman atomer och skapar de element som fyller de nedre raderna i det periodiska systemet.

"Dessa element - platina, guld, många andra mindre värdefulla som ligger högt upp på det periodiska bordet - de har fler neutroner än protoner i sina kärnor, "Goodman sa." Du kan inte komma till dessa kärnor på samma sätt som vi förstår element upp till järn som produceras, genom att effektivt lägga till en neutron i taget. Problemet är att du måste lägga till många neutroner väldigt snabbt. "Denna snabba process är känd för fysiker som r-processen.

Under en lång tid, forskare trodde att r-processelement skapades i supernovor, men siffrorna stämde inte ihop, Sa Goodman. "Men neutronstjärnor är mestadels neutroner, och om du krossar två av dem tillsammans, det är rimligt att förvänta sig att några av neutronerna kommer att plaska ut. "

"Produkterna från denna sammanslagning kan vara guld, uran, europium - några av de tyngsta elementen i naturen, "sa Adam Burrows, en professor i astrofysiska vetenskaper och direktören för programmet i planeter och liv.

Burrows och David Radice, en associerad forskare, vann nyligen finansiering från det amerikanska energidepartementet för att undersöka sammanslagna neutronstjärnor och supernovor, som Burrows tillsammans beskriver som "några av de mest explosiva fenomenen, några av de mest våldsamma, som sker regelbundet i universum. "

Spektroskopiska observationer från European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT) i kölvattnet av LIGO -upptäckten bekräftade att tungmetaller som platina, bly och guld skapades vid kollisionen mellan de två neutronstjärnorna.

VLT -data som används för att identifiera dessa element, ljusets synliga och nära synliga våglängder, samlades i timmar och dagar efter LIGO:s upptäckt av gravitationella vågor. När ordet hade börjat spridas om LIGOs upptäckt, det världsomspännande astronomiska samhället tränade sina teleskop och andra instrument på himmelstråket som gravitationsvågorna hade kommit från, i vad den tidigare Princeton -postdoktoren Brian Metzger kallade den "mest ambitiösa och känslomässigt laddade elektromagnetiska kampanjen i historien, förmodligen, för alla övergående [kortlivad händelse]. "

Metzger, en biträdande fysikprofessor vid Columbia University, var en av de nästan 4, 000 medförfattare på tidningen som beskriver uppföljningsobservationer av röntgenstrålar, gammastrålar, synliga ljusvågor, radiovågor och mer. "Detta var en riktigt fantastisk pankromatisk upptäckt av gravitationella vågor, i princip varenda våglängd, " han sa.

Påverkan på det astronomiska samhället kan jämföras med bara en annan händelse under hans livstid, sa Goodman:1987 års supernova. Observationer av den stjärnaxplosionen hade gett konkret lösning på otaliga astronomiska frågor och teorier. "Folk hade byggt upp denna modell för supernovor, [a] höga teoretiska byggnader, och observationsgrunderna var lite skakiga, "Goodman sa." Ingen kunde tänka sig en bättre modell för dessa saker, men sedan för att se det ... Jag vet inte hur jag ska beskriva det, det är som att få ett telegram från Gud, säger exakt vad dessa händelser var. "

Den mängd data som samlats in från de "elektromagnetiska fyrverkerierna" som skapades genom neutronstjärnans sammanslagning har haft en liknande effekt, Sa Goodman. "Vi hade alla möjliga spekulationer ... men nu har vi dessa gravitationsvågor. Det är precis som vi förväntade oss för två kompakta massor!"

"Detta är framtiden för gravitationsvågdetektering, som är en ny astronomi som har öppnats, "sa Burrows." Det är ett nytt fönster på universum som har förväntats i decennier, och det är en fantastisk utveckling av ambitionerna för tusentals forskare, teknologer, som faktiskt uppnådde vad många trodde att de inte kunde. "