in 2017, NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope speelde een cruciale rol in twee belangrijke doorbraken die slechts vijf weken na elkaar plaatsvonden. Maar wat misschien buitengewoon veel geluk lijkt, is in werkelijkheid het product van onderzoek, analyse, voorbereiding en ontwikkeling die meer dan een eeuw teruggaat.

Op 17 augustus 2017, Fermi ontdekte het eerste licht dat ooit is waargenomen vanuit een bron van zwaartekrachtsgolven - rimpelingen in de ruimte-tijd geproduceerd, bij dit evenement, door de samensmelting van twee superdichte neutronensterren. Slechts vijf weken later, een enkel hoogenergetisch deeltje ontdekt door de IceCube Neutrino Observatory van de National Science Foundation (NSF) werd getraceerd naar een ver sterrenstelsel aangedreven door een superzwaar zwart gat dankzij een gammastraling waargenomen door Fermi.

"Al millennia lang licht was onze enige bron van informatie over het heelal, " zei Julie McEnery, de Fermi-projectwetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "De recente ontdekkingen verbinden licht, onze bekendste kosmische koerier, aan zwaartekrachtsgolven en deeltjes zoals neutrino's - nieuwe boodschappers die verschillende soorten informatie leveren die we net beginnen te verkennen."

Diepe wortels

De oorsprong van deze ontdekkingen gaat terug tot het allernieuwste onderzoek in 1887. Toen voerden natuurkundigen Albert Michelson en Edward Morley een experiment uit om een ​​stof te detecteren, de ether genoemd, dat werd gepostuleerd als een medium waarmee lichtgolven door de ruimte konden reizen. Zoals hun experiment aantoonde en velen sindsdien hebben bevestigd, de ether bestaat niet. Maar het negatieve resultaat bleek een van de inspiratiebronnen te zijn voor de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein uit 1905. Hij generaliseerde dit in 1915 tot een volwaardige theorie van de zwaartekracht, een die het bestaan ​​van zwaartekrachtsgolven voorspelde.

Een eeuw later, op 14 september 2015, de NSF's Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detecteerde deze ruimte-tijdtrillingen voor het eerst toen golven van de samensmelting van twee zwarte gaten de aarde bereikten. Daartussen kwam een ​​gestage stroom van vorderingen, inclusief lasers, verbeterde instrumentatie en steeds krachtigere computers en software.

"Net zoals het uitvinden van de detectortechnologieën tientallen jaren heeft geduurd, dat geldt ook voor het theoretische en computationele raamwerk voor het analyseren en interpreteren van multimessenger-waarnemingen, " zei Tyson Littenberg, de hoofdonderzoeker van de LIGO-onderzoeksgroep bij NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. "We hebben talloze simulaties doorlopen om nieuwe ideeën te testen en bestaande algoritmen te verbeteren, zodat we voorbereid waren om het meeste uit de eerste waarnemingen te halen, en dat fundamenteel onderzoeks- en ontwikkelingswerk wordt voortgezet."

Tot 2005, het was zelfs niet mogelijk om in detail te simuleren wat er gebeurt als een paar in een baan om de aarde draaiende zwarte gaten samensmelten. De doorbraak kwam toen afzonderlijke teams van Goddard en de Universiteit van Texas in Brownsville onafhankelijk van elkaar nieuwe rekenmethoden ontwikkelden die alle voorgaande hindernissen overwonnen. Een nauwkeurig begrip van zwaartekrachtgolfsignalen was een belangrijke stap in de ontwikkeling van technieken die ontworpen waren om ze snel te detecteren en te karakteriseren.

"Een andere fundamentele ontwikkeling waren de sterk geoptimaliseerde analysepijplijnen en informatietechnologie-infrastructuur die het theoretische model kan vergelijken met de gegevens, de aanwezigheid van een signaal herkennen, bereken de locatie van de bron aan de hemel en formatteer de informatie op een manier die de rest van de astronomische gemeenschap zou kunnen gebruiken, " legde Tito Dal Canton uit, een NASA Postdoctoral Program Fellow en een lid van een LIGO-onderzoeksgroep bij Goddard onder leiding van Jordan Camp.

Astronomen moeten zo snel mogelijk op de hoogte zijn van kortstondige gebeurtenissen, zodat ze een breed scala aan telescopen in de ruimte en op de grond kunnen inzetten. Terug in 1993, wetenschappers van Goddard en Marshall begonnen een geautomatiseerd systeem te ontwikkelen voor het verspreiden van de locaties van gammastraaluitbarstingen (GRB's) - ver, krachtige explosies die doorgaans een minuut of minder duren - voor astronomen over de hele wereld in realtime. Gelegen in Goddard en geleid door hoofdonderzoeker Scott Barthelmy, het Gamma-ray Coordinates Network/Transient Astronomy Network verspreidt nu waarschuwingen van vele ruimtemissies en ook van grondinstrumenten zoals LIGO en IceCube.

Spookdeeltjes

De historische draad voor neutrino's begon met de Franse natuurkundige Henri Becquerel en zijn ontdekking van radioactiviteit in 1895. 1930, na het bestuderen van een radioactief proces genaamd bètaverval, Wolfang Pauli suggereerde dat het waarschijnlijk een nieuw subatomair deeltje betrof, later de neutrino genoemd. We weten nu dat neutrino's weinig massa hebben, reis bijna net zo snel als het licht, komen in drie varianten en behoren tot de meest voorkomende deeltjes in het universum. Maar omdat ze niet gemakkelijk in wisselwerking staan ​​met andere materie, neutrino's werden pas in 1956 ontdekt.

1912, Victor Hess ontdekte dat geladen deeltjes, nu kosmische straling genoemd, voortdurend de atmosfeer van de aarde binnenkomen vanuit elke richting, wat betekent dat de ruimte ermee gevuld is. Wanneer kosmische straling luchtmoleculen raakt, de botsing produceert een regen van deeltjes - inclusief neutrino's - die door de atmosfeer naar beneden regent. Zoeken naar astronomische neutrinobronnen betekende het ondergronds plaatsen van experimenten om interferentie van kosmische straling te verminderen en het bouwen van zeer grote detectoren om de zwakke signalen van voor publiciteit schuwe neutrino's op te sporen.

Neutrino's geproduceerd door kernreacties in de kern van de zon werden voor het eerst gedetecteerd in 1968 dankzij een experiment met 100, 000 gallons stomerijvloeistof diep in een goudmijn in South Dakota. Het ontdekken van de volgende astronomische neutrinobron zou nog 19 jaar duren. Supernova 1987A, een stellaire explosie in een nabijgelegen sterrenstelsel, blijft de helderste en meest nabije supernova in meer dan 400 jaar en is de eerste waarvoor de oorspronkelijke ster kon worden geïdentificeerd op pre-explosiebeelden. Theoretici verwachtten dat neutrino's, die gemakkelijker dan het licht aan een instortende ster ontsnappen, zou het eerste signaal zijn van een nieuwe supernova. En uren voordat 1987A's zichtbare licht op aarde arriveerde, experimenten in Japan, de VS en Rusland ontdekten een korte uitbarsting van neutrino's, waardoor de supernova de eerste bron van neutrino's is die buiten het zonnestelsel is geïdentificeerd.

"Als geen van deze experimenten op dat moment in werking was, het neutrino-signaal zou onopgemerkt voorbij zijn gegaan, " zei Francis Halzen, de hoofdonderzoeker van IceCube, die in wezen een neutrino-telescoop is die is ingebouwd in een kubieke kilometer ijs op de Zuidpool. "Het is niet genoeg om de technologie te ontwikkelen, theorieën verfijnen of zelfs een detector bouwen. We moeten zo vaak mogelijk waarnemingen doen voor de beste kans op korte, zeldzame en wetenschappelijk interessante gebeurtenissen. Zowel Fermi als IceCube zijn continu in bedrijf, het maken van ononderbroken observaties van de lucht."

Licht fantastisch

De derde historische draad behoort tot gammastraling, de hoogste energievorm van licht, ontdekt in 1900 door de Franse natuurkundige Paul Villard. Wanneer een gammastraal van voldoende energie interageert met materie, het biedt een perfecte demonstratie van de beroemdste vergelijking van Einstein, E=mc2, door onmiddellijk te transformeren in deeltjes - een elektron en zijn antimaterie-tegenhanger, een positron. Omgekeerd, crash een elektron en een positron samen en een gammastraal resultaten.

NASA's Explorer 11-satelliet, gelanceerd in 1961, detecteerde de eerste gammastraling in de ruimte. In 1963, de Amerikaanse luchtmacht begon met het lanceren van een reeks satellieten als onderdeel van Project Vela. Deze steeds geavanceerdere satellieten werden ontworpen om de naleving te verifiëren van een internationaal verdrag dat kernwapentests in de ruimte of in de atmosfeer verbood. Maar vanaf juli 1967, wetenschappers werden zich ervan bewust dat de Vela-satellieten korte gammastraalgebeurtenissen zagen die duidelijk niets te maken hadden met wapentests.

Deze explosies waren GRB's, een geheel nieuw fenomeen waarvan nu bekend is dat het de dood markeert van bepaalde soorten massieve sterren of de samensmelting van ronddraaiende neutronensterren. NASA heeft de gammastraling verder onderzocht met het Compton Gamma Ray Observatory, die actief was van 1991 tot 2000 en duizenden GRB's registreerde. Vanaf 1997, kritische observaties door de Italiaans-Nederlandse BeppoSAX-satelliet toonden aan dat GRB's zich ver buiten ons melkwegstelsel bevonden. Compton werd opgevolgd door NASA's Neil Gehrels Swift Observatory in 2004 en Fermi in 2008. missies die doorgaan met het verkennen van de energierijke lucht en die een vervolg geven op LIGO- en IceCube-waarschuwingen.

"Op het gebied van observatie, het toeval begunstigt alleen de voorbereide geest, " merkte Louis Pasteur op, de Franse scheikundige en microbioloog, in een lezing uit 1854. Gesteund door tientallen jaren van wetenschappelijke ontdekkingen en technologische innovatie, het ontluikende veld van multimessenger-astronomie wordt steeds meer voorbereid op zijn volgende meevaller.