De eerste detectie van zwaartekrachtsgolven van de catastrofale fusie van twee neutronensterren, en de waarneming van zichtbaar licht in de nasleep van die fusie, eindelijk antwoord op een al lang bestaande vraag in de astrofysica:waar komen de zwaarste elementen, variërend van zilver en andere edele metalen tot uranium, Komt van?

Op basis van de helderheid en kleur van het uitgestraalde licht na de fusie, die nauw aansluiten bij de theoretische voorspellingen van de Universiteit van Californië, Berkeley en Lawrence Berkeley National Laboratory natuurkundigen, astronomen kunnen nu zeggen dat het goud of platina in je trouwring naar alle waarschijnlijkheid is gesmeed tijdens de korte maar gewelddadige samensmelting van twee ronddraaiende neutronensterren ergens in het universum.

Dit is de eerste detectie van een fusie van neutronensterren door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)-detectoren in de Verenigde Staten. wiens leiders twee weken geleden de Nobelprijs voor Natuurkunde kregen, en de Maagd-detector in Italië. LIGO had eerder zwaartekrachtsgolven gedetecteerd van vier samensmeltingen van zwarte gaten, en Maagd een, maar dergelijke gebeurtenissen zouden volledig donker moeten zijn. Dit is de eerste keer dat licht geassocieerd met een bron van zwaartekrachtsgolven is gedetecteerd.

"We zijn al jaren bezig om te voorspellen hoe het licht van een neutronenfusie eruit zou zien, " zei Daniël Kasen, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan UC Berkeley en een wetenschapper bij Berkeley Lab. "Nu is die theoretische speculatie ineens tot leven gekomen."

De fusie van neutronensterren, genaamd GW170817, werd op 17 augustus ontdekt en onmiddellijk naar waarnemers over de hele wereld getelegrafeerd, die hun kleine en grote telescopen richtten op het gebied van de hemel waar het vandaan kwam. De rimpelingen in de ruimtetijd die LIGO/Maagd heeft gemeten, suggereerden een fusie van neutronensterren, aangezien elke ster van de dubbelster tussen 1 en 2 keer de massa van onze zon woog. Behalve zwarte gaten, neutronensterren zijn de dichtste objecten die in het universum bekend zijn. Ze ontstaan ​​wanneer een massieve ster zijn brandstof opgebruikt en op zichzelf instort. het comprimeren van een massa vergelijkbaar met die van de zon tot een bol met een diameter van slechts 10 mijl.

Slechts 1,7 seconden nadat de zwaartekrachtsgolven waren geregistreerd, de Fermi-ruimtetelescoop detecteerde een korte uitbarsting van gammastraling uit hetzelfde gebied, bewijs dat geconcentreerde energiestralen worden geproduceerd tijdens het samensmelten van neutronensterren. Minder dan 11 uur later, waarnemers vingen hun eerste glimp op van zichtbaar licht van de bron. Het was gelokaliseerd in een bekend sterrenstelsel, NGC 4993, ongeveer 130 miljoen lichtjaar van de aarde verwijderd in de richting van het sterrenbeeld Hydra.

De detectie van een fusie van neutronensterren was verrassend, omdat neutronensterren veel kleiner zijn dan zwarte gaten en hun fusies veel zwakkere zwaartekrachtsgolven produceren dan fusies van zwarte gaten. Volgens Berkeley hoogleraar astronomie en natuurkunde Eliot Quataert, "We verwachtten dat LIGO de komende jaren een fusie van neutronensterren zou vinden, maar om het zo dichtbij - voor astronomen - en zo helder in normaal licht te zien, heeft al onze stoutste verwachtingen overtroffen. En, nog verbazingwekkender, het blijkt dat de meeste van onze voorspellingen over hoe het samensmelten van neutronensterren eruit zou zien zoals gezien door normale telescopen, juist waren!"

De LIGO/Virgo-waarnemingen van zwaartekrachtsgolven en de detectie van hun optische tegenhanger zullen worden besproken tijdens een EDT-persconferentie op maandag om 10.00 uur, 16 okt. bij de National Press Club in Washington, Gelijktijdig, enkele tientallen artikelen waarin de observaties worden besproken, zullen online worden gepubliceerd door Natuur , Wetenschap en de Astrofysisch tijdschrift Brieven.

Genesis van de elementen

Terwijl waterstof en helium 13,8 miljard jaar geleden werden gevormd tijdens de oerknal, zwaardere elementen zoals koolstof en zuurstof werden later in de kernen van sterren gevormd door kernfusie van waterstof en helium. Maar dit proces kan alleen elementen opbouwen tot ijzer. Het maken van de zwaarste elementen vereist een speciale omgeving waarin atomen herhaaldelijk worden gebombardeerd door vrije neutronen. Omdat neutronen aan de atoomkernen blijven plakken, elementen hoger in het periodiek systeem worden gebouwd.

Waar en hoe dit proces van de productie van zware elementen plaatsvindt, is een van de langst bestaande vragen in de astrofysica. De recente aandacht is gericht op fusies van neutronensterren, waar de botsing van de twee sterren wolken van neutronenrijke materie de ruimte in slingert, waar ze zich konden assembleren tot zware elementen.

Speculatie dat astronomen licht van zulke zware elementen zouden kunnen zien, gaat terug tot de jaren negentig, maar het idee lag tot 2010 vooral stof te happen toen Brian Metzger, toen een pas afgestudeerde student aan UC Berkeley, nu hoogleraar astrofysica aan de Columbia University, co-auteur van een paper met Quataert en Kasen waarin ze de radioactiviteit van het puin van de neutronenster berekenden en voor het eerst de helderheid ervan schatten.

"Terwijl de puinwolk zich uitbreidt in de ruimte, "Metzger zei, "het verval van radioactieve elementen houdt het warm, waardoor het gloeit."

Metzger, Quataert, Kasen en medewerkers toonden aan dat dit licht van het samensmelten van neutronensterren ongeveer duizend keer helderder was dan normale nova-explosies in onze melkweg, hen motiveren om deze exotische flitsen "kilonovae" te noemen.

Nog altijd, fundamentele vragen bleven over hoe een kilonova eruit zou zien.

"De fusie van neutronensterren is raar spul - een mengsel van edele metalen en radioactief afval, ' zei Kasen.

Astronomen kennen geen vergelijkbare verschijnselen, dus moesten Kasen en medewerkers zich wenden tot fundamentele fysica en wiskundige vergelijkingen oplossen die beschrijven hoe de kwantumstructuur van zware atomen bepaalt hoe ze licht uitzenden en absorberen.

Jennifer Barnes, een Einstein postdoctoraal onderzoeker aan Columbia, werkte als een afgestudeerde student van Berkeley met Kasen om enkele van de eerste gedetailleerde voorspellingen te doen van hoe een kilonova eruit zou moeten zien.

"Toen we de opaciteit berekenden van de elementen gevormd in een neutronensterfusie, we vonden veel variatie. De lichtere elementen leken optisch op elementen in supernova's, maar de zwaardere atomen waren meer dan honderd keer ondoorzichtiger dan wat we gewend zijn te zien bij astrofysische explosies, " zei Barnes. "Als er zware elementen aanwezig zijn in het puin van de fusie, hun hoge dekking zou kilonovae een roodachtige tint moeten geven."

"Ik denk dat we de hele astrofysica-gemeenschap kapot hebben gemaakt toen we dat voor het eerst aankondigden, " zei Kasen. "We voorspelden dat een kilonova relatief zwak en roder zou zijn dan rood, wat betekent dat het ongelooflijk moeilijk te vinden zou zijn. Aan de positieve kant, we hadden een smoking-gun gedefinieerd - je kunt zien dat je vers geproduceerde zware elementen ziet aan hun kenmerkende rode kleur."

Dat is precies wat astronomen hebben waargenomen.

Een 'verraderlijke voorspelling'

De LIGO/Maagd-ontdekking in augustus van een fusie van neutronensterren betekende dat "de dag des oordeels voor de theoretici eerder zou komen dan verwacht, ' zei Kasen.

"Jarenlang bestond het idee van een kilonova alleen in onze theoretische verbeelding en onze computermodellen, " zei hij. "Gezien de complexe fysica die erbij komt kijken, en het feit dat we in wezen geen observatie-input hadden om ons te leiden, het was een waanzinnig verraderlijke voorspelling - de theoretici staken echt hun nek uit."

Maar toen de gegevens binnendruppelden, de ene nacht na de andere, de beelden begonnen zich samen te voegen tot een verrassend vertrouwd beeld.

Tijdens de eerste paar nachten van observaties, de kleur van de fusiegebeurtenis was relatief blauw met een helderheid die opvallend goed overeenkwam met de voorspellingen van kilonova-modellen als de buitenste lagen van het fusieafval gemaakt zijn van lichte kostbare elementen zoals zilver. Echter, in de daaropvolgende dagen werd de emissie steeds roder, een handtekening dat de binnenste lagen van de puinwolk ook de zwaarste elementen bevatten, zoals platina, goud en uranium.

"Misschien was de grootste verrassing hoe goed het visuele signaal zich gedroeg in vergelijking met onze theoretische verwachtingen, Metzger merkte op. "Niemand had ooit eerder een fusie van neutronensterren van dichtbij gezien. Om het complete beeld van zo'n gebeurtenis samen te stellen, komt een breed scala aan natuurkunde kijken - algemene relativiteitstheorie, hydrodynamica, kernfysica, atoom fysica. Om dat allemaal te combineren en tot een voorspelling te komen die overeenkomt met de realiteit van de natuur, is een echte triomf voor de theoretische astrofysica."

Kasen, die ook lid was van observatieteams die de bron hebben ontdekt en vervolgobservaties hebben uitgevoerd, herinnerde zich de opwinding van het moment:"Ik bleef nacht na nacht tot 3 uur 's nachts op, onze modellen vergelijken met de nieuwste gegevens, en denken, 'Ik kan niet geloven dat dit gebeurt; Ik kijk naar iets dat nog nooit eerder op aarde is gezien, en ik denk dat ik eigenlijk begrijp wat ik zie.'"

Kasen en zijn collega's hebben bijgewerkte kilonova-modellen en theoretische interpretaties van de waarnemingen gepresenteerd in een paper die op 16 oktober werd vrijgegeven vóór publicatie in Natuur . Hun modellen worden ook gebruikt om een ​​brede reeks gegevens te analyseren die worden gepresenteerd in zeven extra artikelen die verschijnen in Natuur , Wetenschap en de Astrofysisch tijdschrift .

Niet alleen bevestigden de waarnemingen de theoretische voorspellingen, maar dankzij de modellering konden Kasen en zijn collega's de hoeveelheid en de chemische samenstelling van het geproduceerde materiaal berekenen. De wetenschappers concludeerden dat ongeveer 6 procent van een zonnemassa van zware elementen werd gemaakt. De opbrengst van goud alleen was ongeveer 200 aardmassa's, en die van platina bijna 500 aardmassa's.

aanvankelijk, astrofysici dachten dat gewone supernovae de zware elementen zouden kunnen verklaren, maar er zijn altijd problemen geweest met die theorie, zei co-auteur Enrico Ramirez-Ruiz, een professor in astronomie en astrofysica aan de UC Santa Cruz. Volgens Ramirez-Ruiz, de nieuwe waarnemingen ondersteunen de theorie dat fusies van neutronensterren verantwoordelijk kunnen zijn voor al het goud in het universum, evenals ongeveer de helft van alle andere elementen zwaarder dan ijzer.

"Meestal werk je in de wetenschap aan het geleidelijk bevorderen van een gevestigd onderwerp, " Zei Kasen. "Het is zeldzaam om aanwezig te zijn bij de geboorte van een geheel nieuw veld van astrofysica. Ik denk dat we allemaal heel veel geluk hebben gehad dat we de kans hebben gehad om een ​​rol te spelen."

Het werk van Kasen wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, en simulaties werden mogelijk gemaakt door middelen van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Het werk van Kasen en Quataert wordt ondersteund door de Gordon and Betty Moore Foundation. Quataert wordt ook ondersteund door de Simons Foundation.