Op 17 augustus de Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detecteerde de vijfde vingerafdruk van een enorme verstoring in de ruimtetijd sinds LIGO in september 2015 begon te opereren. In tegenstelling tot de eerste vier sets rimpelingen, die botsingen tussen twee zwarte gaten weerspiegelde, de vorm van deze ruimtetijdvervormingen suggereerde een botsing tussen twee neutronensterren.

Terwijl botsingen met zwarte gaten bijna geen andere signatuur produceren dan zwaartekrachtgolven, de botsing van neutronensterren kan - en werd - op en neer in het elektromagnetische spectrum waargenomen. "Als neutronensterren botsen, de hel breekt los, zei Frans Pretorius, een professor in de natuurkunde van Princeton. "Ze beginnen een enorme hoeveelheid zichtbaar licht te produceren, en ook gammastraling, Röntgenstralen, Radio golven…."

Princeton-onderzoekers bestuderen al tientallen jaren neutronensterren en hun astronomische handtekeningen.

Neutronensterren en gammastralen:Bohdan Paczynski en Jeremy Goodman

De zwaartekrachtsgolven waren het eerste bewijs van de fusie van neutronensterren die bij de aarde aankwam, gevolgd door een gammaflits die 1,7 seconden later arriveerde.

Het verband tussen neutronensterren en gammaflitsen werd voor het eerst vastgesteld door astrofysici van Princeton in 1986, zei James Steen, de Lyman Spitzer Jr., Hoogleraar Theoretische Astrofysica en voorzitter van de afdeling Astrofysica. "Veel van de ontdekkingen die [16 oktober] zijn aangekondigd, bevestigen de basisvoorspellingen die 30 jaar geleden hier in Princeton zijn gedaan."

Hij verwees naar een reeks back-to-back papieren van Bohdan Paczynski, wijlen Lyman Spitzer Jr. hoogleraar theoretische astrofysica, en Jeremy Goodman, een 1983 Ph.D. afgestudeerde die onder Paczynski studeerde en nu een professor in de afdeling is. In hun artikelen, Paczynski en Goodman beweerden dat botsende neutronensterren de bron zouden kunnen zijn van gammaflitsen, een mysterieuze, kortlevende energiebron die eind jaren zestig voor het eerst door satellieten werd geïdentificeerd.

"We verwezen allebei naar die mogelijkheid. Wie kwam als eerste met dat idee? Ik weet het niet, omdat we voortdurend in gesprek waren, "Zei Goodman. "We wisten dat [neutronensterren] af en toe moeten botsen - we wisten dat vanwege het werk van [Princeton-natuurkundige en Nobelprijswinnaar] Joe Taylor."

In aanvulling, Paczynski had zich gerealiseerd dat de meeste gammaflitsen van ver genoeg kwamen dat de uitdijing van het heelal hun schijnbare verspreiding beïnvloedde.

"Bohdan Paczynski had volkomen gelijk, "zei Goodman. Echter, zijn ideeën werden niet meteen omarmd door het veld. "Ik herinner me dat ik naar een conferentie in Taos ging, New Mexico. … Bohdan hield een korte lezing over zijn idee dat gammaflitsen van kosmologische afstanden komen. Ik herinner me deze andere astrofysici ... ze waren respectvol stil toen hij sprak, maar beschouwde hem als een beetje een gek."

Hij voegde toe, "Bohdan Paczynski was een zeer gedurfde denker."

Neutronensterren botsen:Joseph Taylor, Russell Hulse en Joel Weisberg

De mogelijkheid van botsende neutronensterren die Paczynski en Goodman's discussie op gang had gebracht, kwam voor het eerst naar voren in een artikel uit 1981 van Joseph Taylor, nu de James S. McDonnell Distinguished University Professor of Physics, Emeritus. Zijn ontdekking in 1974 van binaire neutronensterren met zijn toen afgestudeerde student Russell Hulse, die later werkte bij het Princeton Plasma Physics Laboratory, kreeg in 1993 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Ze toonden aan dat de twee neutronensterren die ze hadden gezien, ongeveer een half miljoen mijl van elkaar verwijderd waren en elke 7,75 uur om elkaar heen draaiden.

In 1981, kort na zijn aankomst in Princeton, Taylor en de toenmalige assistent-professor Joel Weisberg kondigden aan dat met nauwkeurige metingen over meerdere jaren, ze hadden bevestigd dat de afstand en periode met de tijd veranderen, met een orbitaal verval dat overeenkomt met de voorspelling van Albert Einstein voor energieverlies als gevolg van emissie van zwaartekrachtgolven. De baan vertraagt ​​zo oneindig klein dat het ongeveer 300 miljoen jaar zal duren voordat de neutronensterren in de Hulse-Taylor dubbelster botsen en samensmelten.

"Toen de Hulse-Taylor neutronenster binaire werd begrepen, met daaropvolgende timing-experimenten die consistentie met de algemene relativiteitstheorie tonen, het was duidelijk dat er botsingen zouden plaatsvinden, " zei Steven Gubser, een hoogleraar natuurkunde. "Dus terwijl we de eerste zwaartekrachtsgolfdetectie van botsende neutronensterren vieren, laten we Joe Taylor en Russell Hulse ook de eer geven voor hun oorspronkelijke ontdekking van binaire pulsars, en voor de demonstratie dat het in feite neutronensterren zijn die om elkaar heen draaien, gewoon wachten om te botsen."

Hoe sterren samensmelten:Steven Gubser en Frans Pretorius

Stel je een kwartje voor dat op een tafelblad draait. Als wrijving energie uit het systeem afvoert, het kwart begint te wiebelen rond de buitenrand, het maken van een "whop...whop...whop...whop"-geluid dat versnelt (whop-whop-whop-whop) en versnelt (whop-whop-whop-whop) totdat het slechts een waas van geluid is dat in toonhoogte stijgt tot een laatste "whoooop" als het kwart plat op de tafel.

Dat is de demonstratie die Gubser en Pretorius gaven toen ze beschreven hoe zwarte gaten (of neutronensterren) botsen - een astronomisch wonder dat LIGO nu vijf keer heeft gedetecteerd. Tijdens een recente lezing voor hun boek, "Het kleine boek van zwarte gaten, " gepubliceerd door Princeton University Press, Gubser en Pretorius gebruikten een schijf van ongeveer vijf centimeter in plaats van een kwart, zodat hun publiek de langzame maar gestage snelheidsverhoging van de schijf gemakkelijker kon zien en horen.

"Je zou normaal gesproken denken dat het verliezen van energie overeenkomt met het vertragen, niet versnellen, maar je zag met de schijf dat het in feite de andere kant op kan gaan, "zei Gubser daarna. "Als de schijf energie verliest aan wrijving, het contactpunt beweegt sneller en sneller rond, en produceert die karakteristieke stijgende frequentie."

Of de botsende objecten nu neutronensterren of zwarte gaten zijn - of een van beide - de wervelende beweging en het geluid ervan volgen hetzelfde patroon. Terwijl de zwaartekrachtsgolfenergie wegvloeit, de twee objecten zullen steeds sneller om elkaar heen draaien, op weg naar hun onvermijdelijke ondergang.

In het geval van de botsing die LIGO op 17 augustus ontdekte, de twee sterren - elk zo groot als Manhattan en met bijna twee keer de massa van de zon - wervelden uiteindelijk honderden keren per seconde om elkaar heen, bewegen met een aanzienlijk deel van de snelheid van het licht voordat ze botsten.

"Het timing-experiment van Taylor en Weisberg toonde het begin van dit patroon, voortkomend uit een langzame in-spiraal, " zei Gubser. "De frequentie neemt heel langzaam toe, en daarom was het zo'n indrukwekkende meting."

Daarentegen, hij zei, "in de laatste fase van de in-spiraal, de frequentie neemt snel toe, en je krijgt het soort 'whoop' of 'chirp'-golfvorm die LIGO zag."

Wat sterren creëren:Adam Burrows en David Radice

Als sterren tegen elkaar botsen met een aanzienlijke fractie van de lichtsnelheid, de botsing smelt atomen samen en creëert de elementen die de onderste rijen van het periodiek systeem vullen.

"Deze elementen - platina, goud, veel andere minder waardevolle die hoog in het periodiek systeem staan ​​- ze hebben meer neutronen dan protonen in hun kernen, "Zei Goodman. "Je kunt die kernen niet bereiken op dezelfde manier als we elementen begrijpen tot aan de productie van ijzer, door effectief één neutron per keer toe te voegen. Het probleem is dat je heel snel heel veel neutronen moet toevoegen." Dit snelle proces staat bij natuurkundigen bekend als het r-proces.

Voor een lange tijd, wetenschappers dachten dat r-proceselementen werden gecreëerd in supernova's, maar de cijfers klopten niet, zei Goedman. "Maar neutronensterren zijn meestal neutronen, en als je er twee tegen elkaar gooit, het is redelijk om te verwachten dat sommige van de neutronen eruit zullen spatten."

"De producten van deze fusie kunnen goud zijn, uranium, europium - enkele van de zwaarste elementen in de natuur, " zei Adam Burrows, een professor in de astrofysische wetenschappen en de directeur van het programma in Planets and Life.

Burrows en David Radice, een geassocieerd onderzoeker, won onlangs financiering van het Amerikaanse ministerie van Energie om samensmeltende neutronensterren en supernova's te onderzoeken, die Burrows gezamenlijk beschrijft als "enkele van de meest explosieve verschijnselen, enkele van de meest gewelddadige, die regelmatig in het heelal voorkomen."

Spectroscopische waarnemingen van de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory in de nasleep van de LIGO-detectie bevestigden dat zware metalen zoals platina, lood en goud zijn ontstaan ​​bij de botsing van de twee neutronensterren.

De VLT-gegevens die worden gebruikt om deze elementen te identificeren, de zichtbare en bijna zichtbare golflengten van licht, werden verzameld in de uren en dagen na LIGO's detectie van de zwaartekrachtsgolven. Toen het nieuws over de ontdekking van LIGO zich begon te verspreiden, de wereldwijde astronomische gemeenschap trainde hun telescopen en andere instrumenten op het stukje lucht waar de zwaartekrachtsgolven vandaan kwamen, in wat Brian Metzger, voormalig postdoctoraal onderzoeker van Princeton, de "meest ambitieuze en emotioneel geladen elektromagnetische campagne in de geschiedenis" noemde, waarschijnlijk, voor een voorbijgaande [kortstondige gebeurtenis]."

Metzger, een assistent natuurkunde professor aan de Columbia University, was een van de bijna 4, 000 co-auteurs van het artikel waarin de vervolgobservaties van röntgenstralen worden beschreven, gamma stralen, zichtbare lichtgolven, radiogolven en meer. "Dit was echt een geweldige panchromatische ontdekking van zwaartekrachtsgolven, op vrijwel elke golflengte, " hij zei.

De impact op de astronomische gemeenschap is te vergelijken met slechts één andere gebeurtenis in zijn leven, zei Goodman:de supernova uit 1987. Waarnemingen van die stellaire explosie hadden een concrete oplossing geboden voor talloze astronomische vragen en theorieën. "Mensen hadden dit model voor supernova's gebouwd, [a] torenhoog theoretisch gebouw, en de observatiefundamenten waren een beetje wankel, "Zei Goodman. "Niemand zou een beter model kunnen bedenken voor deze dingen, maar om het dan te zien... ik weet niet hoe ik het moet beschrijven, het is alsof je een telegram van God krijgt, precies zeggen wat deze gebeurtenissen waren."

De stapels gegevens die zijn verzameld van het "elektromagnetische vuurwerk" geproduceerd door de fusie van neutronensterren, hebben een soortgelijk effect gehad, zei Goedman. "We hadden allerlei speculaties... maar nu hebben we deze zwaartekrachtsgolven. Het is precies zoals we hadden verwacht voor twee compacte massa's!"

"Dit is de toekomst van detectie van zwaartekrachtgolven, dat is een nieuwe astronomie die is geopend, "zei Burrows. "Het is een nieuw venster op het universum dat al tientallen jaren wordt verwacht, en het is een verbazingwekkende verwezenlijking van de ambities van duizenden wetenschappers, technologen, dat eigenlijk bereikt wat veel mensen dachten dat ze niet konden."