Under 2017, NASA:s Fermi Gamma-ray rymdteleskop spelade en avgörande roll i två viktiga genombrott som inträffade med bara fem veckors mellanrum. Men vad som kan tyckas vara extraordinär lycka är verkligen en produkt av forskning, analys, förberedelser och utveckling som sträcker sig mer än ett sekel tillbaka i tiden.

Den 17 augusti, 2017, Fermi upptäckte det första ljuset någonsin sett från en källa till gravitationsvågor - krusningar i rum-tid producerade, i denna händelse, genom sammanslagningen av två superdensa neutronstjärnor. Bara fem veckor senare, en enda högenergipartikel upptäckt av National Science Foundations (NSF) IceCube Neutrino Observatory spårades till en avlägsen galax som drivs av ett supermassivt svart hål tack vare en gammastrålning som observerats av Fermi.

"Under årtusenden, ljus var vår enda informationskälla om universum, "sa Julie McEnery, Fermi-projektets forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "De senaste upptäckterna kopplar samman ljus, vår mest kända kosmiska kurir, till gravitationsvågor och partiklar som neutriner – nya budbärare som levererar olika typer av information som vi precis har börjat utforska."

Djupa rötter

Ursprunget till dessa upptäckter sträcker sig tillbaka till spetsforskning så länge sedan som 1887. Det var då fysikerna Albert Michelson och Edward Morley genomförde ett experiment för att upptäcka ett ämne, kallade etern, som postulerades som ett medium som tillät ljusvågor att resa genom rymden. Som deras experiment visade och många sedan dess har bekräftat, etern finns inte. Men det negativa resultatet visade sig vara en av inspirationerna till Albert Einsteins speciella relativitetsteori från 1905. Han generaliserade detta till en fullfjädrad teori om gravitation 1915, en som förutspådde förekomsten av gravitationsvågor.

Ett sekel senare, den 14 september, 2015, NSF:s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) upptäckte dessa rymd-tidsvibrationer för första gången när vågor från sammanslagning av två svarta hål nådde jorden. Däremellan kom en stadig ström av framsteg, inklusive lasrar, förbättrad instrumentering och allt kraftfullare datorer och mjukvara.

"Precis som att uppfinna detektortekniken har tagit decennier, så har också det teoretiska och beräkningsbara ramverket för analys och tolkning av multimessenger -observationer, sa Tyson Littenberg, huvudutredaren för LIGO-forskargruppen vid NASA:s Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama. "Vi gick igenom otaliga simuleringar för att testa nya idéer och förbättra befintliga algoritmer så att vi var beredda att få ut det mesta av de första observationerna, och att grundforskning och utvecklingsarbete fortsätter."

Fram till 2005, det var inte ens möjligt att i detalj simulera vad som händer när ett par kretsande svarta hål smälter samman. Genombrottet kom när separata team vid Goddard och University of Texas i Brownsville oberoende utvecklade nya beräkningsmetoder som övervann alla tidigare hinder. En korrekt förståelse av gravitationsvågssignaler var ett viktigt steg i utvecklingen av tekniker utformade för att snabbt upptäcka och karakterisera dem.

"En annan grundläggande utveckling var de mycket optimerade analyspipelines och informationsteknologiska infrastruktur som kan jämföra den teoretiska modellen med data, känna igen närvaron av en signal, beräkna platsen för källan på himlen och formatera informationen på ett sätt som resten av det astronomiska samhället kan använda, "förklarade Tito Dal Canton, en postdoktor i NASA och medlem i en LIGO -forskargrupp på Goddard under ledning av Jordan Camp.

Astronomer behöver veta om kortlivade händelser så snart som möjligt så att de kan ta fram ett brett utbud av teleskop i rymden och på marken. Tillbaka 1993, forskare vid Goddard och Marshall började utveckla ett automatiserat system för att distribuera platserna för gammastrålningskurar (GRB) - avlägset, kraftfulla explosioner som vanligtvis varar en minut eller mindre – för astronomer runt om i världen i realtid. Beläget i Goddard och leds av chefsutredaren Scott Barthelmy, Gamma-ray Coordinates Network/Transient Astronomy Network distribuerar nu varningar från många rymduppdrag såväl som markbaserade instrument som LIGO och IceCube.

Spökpartiklar

Den historiska tråden för neutriner började med den franske fysikern Henri Becquerel och hans upptäckt av radioaktivitet 1895. År 1930, efter att ha studerat en radioaktiv process som kallas beta -förfall, Wolfang Pauli föreslog att det troligen involverade en ny subatomär partikel, senare döpt till neutrinon. Vi vet nu att neutriner har liten massa, färdas nästan lika snabbt som ljuset, finns i tre varianter och är bland de mest förekommande partiklarna i universum. Men eftersom de inte lätt interagerar med annan materia, neutrinoer upptäcktes inte förrän 1956.

1912, Victor Hess upptäckte att laddade partiklar, nu kallas kosmiska strålar, ständigt gå in i jordens atmosfär från alla håll, vilket innebär att utrymmet är fyllt med dem. När kosmisk strålning träffar luftmolekyler, kollisionen producerar en skur av partiklar – inklusive neutriner – som regnar ner genom atmosfären. Att leta efter astronomiska neutrinokällor innebar att man placerade experiment under jorden för att minska störningar från kosmiska strålar och att bygga mycket stora detektorer för att reta ut de svaga signalerna från reklamskygga neutriner.

Neutrinos producerade av kärnreaktioner inuti solens kärna upptäcktes först 1968 tack vare ett experiment med 100, 000 liter kemtvättvätska som ligger djupt i en guldgruva i South Dakota. Att upptäcka nästa astronomiska neutrinokälla skulle ta ytterligare 19 år. Supernova 1987A, en stjärnexplosion i en närliggande galax, är fortfarande den ljusstarkaste och närmaste supernova som setts på över 400 år och är den första för vilken den ursprungliga stjärnan kunde identifieras på bilder före explosionen. Teoretiker förutsåg att neutriner, som slipper undan en kollapsande stjärna lättare än ljus, skulle vara den första signalen från en ny supernova. Och timmar innan 1987A:s synliga ljus anlände till jorden, experiment i Japan, USA och Ryssland upptäckte ett kort utbrott av neutriner, vilket gör supernovan till den första källan till neutriner som identifierats bortom solsystemet.

"Om inget av dessa experiment fungerade vid den tiden, neutrinosignalen skulle ha passerat obemärkt, "sa Francis Halzen, huvudutredaren för IceCube, som i huvudsak är ett neutrinoteleskop inbyggt i en kubikkilometer is på Sydpolen. "Det räcker inte att utveckla tekniken, förfina teorier eller till och med konstruera en detektor. Vi måste göra observationer så ofta vi kan för bästa möjliga chans att ta kort, sällsynta och vetenskapligt intressanta händelser. Både Fermi och IceCube är i drift kontinuerligt, gör oavbrutna observationer av himlen."

Ljus fantastiskt

Den tredje historiska tråden tillhör gammastrålar, den högsta energiformen av ljus, upptäcktes 1900 av den franske fysikern Paul Villard. När en gammastråle med tillräcklig energi interagerar med materia, det ger en perfekt demonstration av Einsteins mest kända ekvation, E =mc2, genom att omedelbart omvandlas till partiklar – en elektron och dess antimateriamotsvarighet, en positron. Omvänt, kraschar en elektron och en positron tillsammans och en gammastråle uppstår.

NASA:s Explorer 11-satellit, lanserades 1961, upptäckte de första gammastrålarna i rymden. 1963, det amerikanska flygvapnet började skjuta upp en serie satelliter som en del av Project Vela. Dessa allt mer sofistikerade satelliter designades för att verifiera efterlevnaden av ett internationellt fördrag som förbjöd kärnvapenprov i rymden eller i atmosfären. Men från och med juli 1967, forskare blev medvetna om att Vela-satelliterna såg korta gammastrålningshändelser som helt klart inte var relaterade till vapentester.

Dessa explosioner var GRB, ett helt nytt fenomen som nu är känt för att markera döden av vissa typer av massiva stjärnor eller sammanslagning av kretsande neutronstjärnor. NASA utforskade vidare gammastrålhimlen med Compton Gamma Ray-observatoriet, som fungerade från 1991 till 2000 och registrerade tusentals GRB. Från och med 1997, kritiska observationer av den italiensk-nederländska BeppoSAX-satelliten bevisade att GRB:er fanns långt bortom vår galax. Compton efterträddes av NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory 2004 och Fermi 2008, uppdrag som fortsätter att utforska högenergihimlen och som följer upp LIGO- och IceCube-varningar.

"Inom observationsområdena, slumpen gynnar bara det förberedda sinnet, " noterade Louis Pasteur, den franske kemisten och mikrobiologen, i en föreläsning 1854. Med stöd av årtionden av vetenskapliga upptäckter och teknisk innovation, det växande fältet för multibudbärarastronomin är alltmer förberedd för nästa lyckoträff.