Lähin neutraalin tähden törmäys voi aiheuttaa kuumetta maan päällä


            

Kauan sitten kaukaisessa galaksissa-NGC 4993, tarkalleen – kaksi neutronien tähtiä törmäsivät ja loivat upean valonäytön.

Kun kulunut miljardeja vuosia hitaasti kiertelivät toisiaan, viimeiset hetket, kaksi degeneroitua tähtiä kieroutuivat toistensa ympäri tuhansia kertoja, ennen kuin lopulta kokoontuivat yhteen suurella osuudella valonopeudesta, mikä todennäköisesti luonut mustan reiän. Sulautuminen oli niin voimakasta, että se ravisteli maailmankaikkeutta ja lähetti noin 200 miljoonaa aurinkoenergiaa häiriöinä äärivalaisusta, jota kutsutaan gravitaatioalustoiksi. Nämä aallot levittäytyivät sulautumasta, kuten aallot lampulla, lopulta pesivät maapallon – ja planeetan ensi-iltansa gravitaatio-aaltoilmaisimet, yhdysvaltalainen LIGO ja eurooppalaisittain rakennettu virgin tarkkailijat

Silti painovoimaiset aallot eivät olleet sulautuman ainoat tuotteet. Tapahtuma lähetti myös sähkömagneettisen säteilyn – eli valon merkitsemisen ensimmäistä kertaa, että tähtitieteilijät ovat onnistuneet saamaan sekä gravitaation aallot että valon yhdestä lähteestä. Ensimmäinen valo sulautumasta oli lyhyt, loistava gamma-säteily, NASAn Fermi Gamma-Ray Space Telescopein piristyneen mustan aukon todennäköinen syntymähuuto. Tuntia myöhemmin tähtitieteilijät, jotka käyttävät maapotentiaalisia teleskooppeja, havaitsivat enemmän valoa sulautumasta – ns. "Kilonova" -tuotteen, joka syntyi sulautumisen jäljiltä, ​​laajeni ja jäähdytettiin. Viikon ajan suurin osa maailman tähtitieteellisestä yhteisöstä katseli kilonovaa, kun se hitaasti hämärtyi näkökulmasta.

Kun tähtitieteilijät tutkivat sulautuman seurauksia eri aallonpituuksilla, he näkivät lukemattomien raskas elementtien merkkejä heti. Tähtitieteilijät olivat jo pitkään ennustaneet, että neutronien yhdistäminen saattaa aiheuttaa elementtejä, kuten kullan ja titaanin, neutronipitoisia metalleja, joita ei tiedetä muodostavan tähdet. Suurin osa kaikesta, mitä he näkivät sulautumisen kongonova muuttuvassa valossa, vastasivat näitä ennusteita, mutta kukaan ei lopulta näki suoraan sulautumista hajottavan kultakinkoja millään lailla.

Jopa nähnyt yli 130 miljoonaa valovuoden erottamista meistä, tapahtuma oli iso, kirkas ja loistava. Neutronien tähden harvinaisuus – puhumattakaan niistä, jotka sattuvat yhdistymään – on epätodennäköistä, että näemme tällaisen näytön huomattavasti lähempänä meitä. Kuvitelkaamme kuitenkin, jos voisimme – jos se tapahtui Linnunradalla tai yhdellä sen satelliittigealakseista. Tai, taivas kieltää, meidän välittömässä läheisessä naapurustossa. Mitä me näemme? Mitä vaikutuksia sillä olisi kotimaailmallamme? Olisiko ympäristö, sivilisaatio, jopa ihmiskunta tullut ehjiksi?

Vaikka LIGO, suunnittelemalla, voi "kuulla" massiivisten esineiden, kuten neutronien ja mustien aukkojen, yhdistämisen, on edelleen onnekas havaitsemaan tämä tapahtuma. Gabriela Gonzálezin, LIGO: n tiimin jäsenen ja astrofysaattorin Louisiana State Universityn mukaan, jos sulautuminen olisi ollut kolme tai neljä kertaa kauemmas, emme olisi kuulleet sitä lainkaan. Ironista kyllä, LIGO: n hieno tuning kaukana olevien mustan reiän fuusioitumisen havaitsemiseen voisi tehdä siitä suuret, jotka ovat aurinkokunnan lähimpien naapureiden ympärillä. Tällaisen läheisen tapahtuman valtava ja voimakas gravitaatio-aalto "olisi luultavasti [greater] kuin instrumenttimme dynaaminen alue", Gonzalez sanoo.

Huolimatta siitä, että se on tarpeeksi voimakas ravistelemaan maailmankaikkeutta, kahden suuren mustan reiän läheisen fuusioitumisen aiheuttamat gravitaatioväylät ovat vielä tuskin havaittavissa, koska ravistelu ilmenee mikroskooppisten asteikkojen suhteen. (Jos kaasua, pölyä tai muuta ainetta oli hyvin lähellä sulavia mustia reikiä, tähtitieteilijät saattavat kuitenkin nähdä valon, joka emittoituu tuosta kiehtovaa materiaalista, kun se syö.) "Hämmästyttävä asia minulle on, että voisit olla niin lähellä mustia reikiä törmääminen, jopa niin lähelle kuin aurinkokunnan ulkopuolella, ettet edes huomaisi, että venytys on kulunut silmiesi kanssa ", González sanoo. "Sinun tarvitsisi vielä välineen nähdä tai mitata sitä."

Sitä vastoin galaksin neutronisylinterin yhdistämisen kilonova olisi todennäköisesti melko havaittavissa. Gonzalez sanoo, että se voi yhtäkkiä näkyä kirkkaana tähtenä taivaalla, ja LIGO olisi selvästi havaittavissa. Sen sijaan, että kestäisi muutaman sekunnin ajan, LIGOn kuultavat gravitaatioväylät venyisi minuuteissa, jopa tunteina, kun neutronien tähdet kiertyivät yhä lähempänä toisiaan ennen niiden lopullista yhdentymistä. Olisi melko vähän kuin virittäminen Live Grateful Dead -hilloon studioversion sijaan. (Ja kyllä, sanotaan, että kappale on "Dark Star" meidän tarkoituksemme mukaan.)

Vaikka LIGO-viritettäisiin, on kuitenkin olemassa keinoja, joiden vuoksi emme voi nähdä suurta osaa lähimmän neutronitähdin sulautumisen valaistuksesta ja sitä seuraavasta kenovasta. Kari Frank, Northwesternin yliopiston tähtitieteilijä sanoo, että tällainen suuri, valoisa tapahtuma saattaa päätyä pölyn ja muiden tähtien peittämään – ainakin näkyviin ja infrapuna-aallonpituuksiin. Toisin sanoen LIGO ja kaukoputket, jotka katsovat aallonpituuksia, kuten radio tai röntgen, voivat nähdä läheisen kelonovan, jota optiset tähtitieteilijät kaipaisivat. "On ollut supernovaa – ainakin sellaisia, joita me tiedämme galaksissamme viimeisten sadan vuoden aikana tai niin – jota emme näe lainkaan räjähdyksestä, näimme vain sen, mitä jäljellä on jäljellä", Frank sanoo. Ja kilonova, kaikelle sen pakkaukselle, on vain murto-osa tyypillisen supernovan kirkkaudesta.

Silti tähtitieteilijöiden vastaukset mihin tahansa tähtien kataklismista Linnunradan tai sen ympärillä todennäköisesti ovat nopeita. Loppujen lopuksi on esimerkki supernovasta 1987A harkitsemaan.

Kuten nimestäkin ilmenee, supernova 1987A tapahtui vuonna 1987, ja se kehittyi kääpiö-galaksiin, joka kiertää Linnunradan, jota kutsutaan Suuren Magellanic Cloudiksi. Tähti noin kahdeksan kertaa auringon massa romahti itsensä ja lähetti sen ulomman kaasun päähän tähtienväliselle tilalle muodostaen nebulaa raskaista elementeistä ja muista roskista ennen kuin ne romahtaisiin joko neutronisäteeseen tai mustalle aukolle. Se on edelleen ainoa lähellä oleva supernova-tähtitieteilijä, joka on nähnyt nykyajan.

Frank on tutkinut seuraavan maailmanlaajuisen kampanjan tarkkailemaan supernovaa 1987A: ta, keskittyen siihen, miten tähtitieteilijät järjestivät ja toteuttivat havaintojaan silloin, kun internet oli parhaimmillaan. "Joku näkee jotain ja lähettää ilmoituksia kaikille", hän sanoo. "Ihmiset, jotka ensin löysivät sen, joutuivat soittamaan kenen tahansa heille, jotta heille kerrottaisiin, että tämä asia tapahtui, että he näkivät tämän supernovaa taivaalla, joka oli todella lähellä", Frank sanoo. "He lähettivät nämä pyöreät kirjeet ja asiat ihmisille – ja sitten kaikki, jotka voisivat mennä teleskooppiinsa ja osoittaa sen."

Kuukausien ajan tähtitieteilijät ympäri maailmaa tutkivat tapahtumaa hyödyntäen melkein kaikkia saatavilla olevia teleskooppeja. "Kaikki halusivat varmistaa, että niin monta [telescopes] katsoi sitä mahdollisimman", Frank sanoo. Lopulta asiat asettuivat, mutta useat tutkijat – Frank mukaan lukien – tutkivat edelleen supernovan jäänteitä 30 vuotta myöhemmin. "Joillekin ihmisille se muuttui elämää muuttuvaksi tai ainakin urakehitykseksi", Frank sanoo. "Tämä oli tähtitieteessä vuonna ."

LIGOn tavoin supernova 1987A: n tarkkailukampanjaan osallistui tuhansia yhteistyökumppaneita. Mutta kaikki eivät ole samaa mieltä siitä, että kirjoittaessaan jokin monista tieteellisessä kirjallisuudessa julkaistuista tutkimuksista on kunnia. Näin ollen ei ole todellista pään määrää, kuinka monta ihmistä osallistui. Hiljattain neutroni-tähden sulautumista tekevien yhteistyökumppaneiden laskeminen on paljon helpompaa – noin 3 000 tekijää on 67 paperilla, eli arviolta 15 prosenttia koko astrofysiikan kentästä

Kysymys siitä, kuinka monta astrofysiikkaa saisivat hyvityksen toisesta tapahtumasta, kuten supernova 1987A, riippuu vain vähän siitä, kuinka lähellä tapahtuma olisi. Jos esimerkiksi supernova 1987A oli tapahtunut paljon, paljon lähempänä läheistä tähtiä ympäröivää maapalloa, tärkeä epävarmuus voisi olla, kuinka monta tutkijaa ei havainnut tapahtumaa, mutta kuinka monta se säilyi .

Vuoden 2016 tutkimuksen mukaan supernovaa, joka oli lähes 50 valovuotta Maasta, saattaa uhata maapallon biosfääri-ihmisille välitöntä vaaraa. Tapahtuma todennäköisesti suihkuttaa meitä niin paljon korkean energian kosmisessa säteilyssä, että se saattaisi kipata planeettamassan sukupuuttoon. Tutkijat ovat alustavasti kytkeytyneet aiempiin tapauksiin, joissa esiintyy surkastuneiden sukupuuttoasteiden määrää ja heikentävät biologista monimuotoisuutta oletettuihin astrofysiikka-tapahtumiin, ja ainakin yhdessä tapauksessa on löydetty lopullisia todisteita lähi-supernovaa syylliseksi. Kaksikymmentä miljoonaa vuotta sitten tähti 325 valovuotta Maasta räjähti, suihkuttaen planeetan radioaktiivisiksi rautahiukkasiksi, jotka lopulta asettuivat syvänmeren sedimentteihin meressä . Tämä tapahtuma, tutkijat spekuloivat, saattavat olla aiheuttaneet jään ikäisiä ja muutti evoluutiota ja ihmiskunnan historiaa.

Tarkat yksityiskohdat aiemmista (ja tulevista) astrofysiikan kataklyysmin vaikutuksista maan biosfääriin riippuvat paitsi etäisyydestä myös niiden suuntautumisesta. Esimerkiksi supernova voi joskus karkottaa energiansa kaikkiin suuntiin, eli se ei aina ole kovin kohdennettu ilmiö. Mustareikien yhdistämisen odotetaan aiheuttavan lainkaan mitään säteilyä, mikä tekee niistä yllättävän hyvää minkä tahansa läheisen biosfäärin suhteen. Kilonovalla on kuitenkin erilainen fysiikka. Neutron-tähdet ovat muutamia kymmeniä kilometrejä säteellä eikä muutamia miljoonia kuin tyypilliset tähdet. Kun nämä tiheät esineet yhdistyvät, ne pyrkivät tuottamaan suihkukoneita, jotka räjäyttävät gamma-säteilyn niiden navoista.

"[W] hattu näyttää meiltä ja sen vaikutus meihin riippuu paljon siitä, onko jokin suihkukoneista suoraan suunnattu meille", Frank sanoo. Maan etäisyyden ja suuntauksen perusteella kilonovan suihkukoneet kulkisivat hienon viivan mahtavan valonäytön ja maapallon yläilmakehän katastrofaalisen poistamisen välillä. Jos suihkumme on suoraan kohdistettu meihin, voimakkaita muutoksia voi olla varastossa. Ja emme luultavasti näe heidän tulevansa. Kelonova alkaa täynnä gammasäteilyä – uskomattoman energisiä fotoneja, jotka määritelmän mukaan liikkuvat kevyellä nopeudella, nopein kaikki voi kulkea maailmankaikkeuden läpi. Koska mikään muu ei voi liikkua nopeammin, nämä fotonit löivät ensin ja ilman varoitusta.

"Mitä [the gamma rays] tekisi, luultavasti enemmän kuin mikään muu, on liuottaa otsonikerros", sanoo Space Telescope Science Institute -työntekijän tähtitieteilijä Andrew Fruchter. Seuraavaksi taivas menisi salamavästi valkoiseksi, kun kilonova näkyvä valo kohtasi planeetamme. Valoa kauas takana olisi hitaammin liikkuva materiaali, joka poistui kongonova-radioaktiivisista hiukkasista, jotka hiukkasmaiset maapallon riittävät määrät saattavat vielä pakata tappava lävistys.

Se on, jos kilonova on lähellä, vaikka – 50 valovuoden sisällä, anna tai ota. Turvallisemmalla etäisyydellä gammasäteet silmät edelleen otsoni kerros edessä puolipallon, mutta toinen puoli olisi suojattu planeetan irtotavarana. "Suurin osa säteilystä tapahtuu hyvin nopeasti, joten puolet maapallosta piilotetaan", Fruchter sanoo. Siellä olisi vielä hetkellisesti sokaiseva valo. Muutaman viikon ajan uusi tähti polttaisi kirkkaasti taivaalla ennen kuin vähitellen hämärtyisi hämäryyn.

Älä anna kaiken tämän pitää sinut yöllä. Kilonova ovat suhteellisen harvinaisia ​​kosmisia ilmiöitä, joiden arvioidaan esiintyvän vain kerran 10 000 vuoden ajan galaksissa, kuten Linnunradan. Se johtuu siitä, että neutronit, joita supernovae tuottaa, eivät juurikaan muodosta pareja. Yleensä neutronisäveltäjä saa voimakkaan "potkun" muodostavasta supernovasta; joskus nämä potkut ovat riittävän voimakkaita, jotta neutroni-tähti poistuu kokonaan galaksistaan ​​houkutella suurella nopeudella loputtomiin kosmoksen läpi. "Kun neutronit ovat syntyneet, ne ovat usein suuria nopeuksia, jotta ne voivat selviytyä binaarissa", Fruchter sanoo. Ja kahden mahdollisuudet löytää toisiaan ja sulautua itsenäisen muodostamisen jälkeen ovat, ilman parempaa termiä, astronomisesti matala.

Galaksissamme tunnetut binääriset neutronatavat ovat miljoonia tai miljardeja vuosia pois sulautumisesta. Kaikkien neutronien tähtien sulautuminen LIGOlle yllätti, koska tapahtumat ovat niin harvinaisia, ja tähtitieteilijät eivät ehkä edes näe kenonovaa lainkaan. Mutta jos joku tapahtuisi – sanokaamme yhdellä Linnunradan satelliitti-galaksien – olisi hyvä syy juoksemaan teleskooppiin todistamaan lyhyt, loistava uusi "tähti" salama ja häivytys. Vaarat olisivat lähes olemattomat, mutta ei voittoa: Meidän sukupolvemme tähtitieteilijöillä olisi oma supernova 1987A: n hajoamiseen. "Tämä on kerran-in-many-life -tyyppinen tapahtuma", Frank sanoo. Siksi hän sanoo, että meidän olisi noudatettava jotain sellaista, kun otetaan huomioon kaikki maailman tähtitieteelliset resurssit. "Meidän on muistettava ajatella alkuperäisen räjähdyksen jälkeen", hän lisää. "Asiat saattavat vielä tapahtua, ja meidän on varottava siitä."

Nyt tähtitieteilijöiden huomiota kiinnitetään edelleen kilonovaan NGC 4993: ssa. Maapallon kiertorata on asettanut auringon välille meidän ja etäisen galaksin, mutta kätkettynä kilonovan haalistumisesta. Kun meidän näkemyksemme puhdistuu, joulukuussa monet maailman teleskooppi silmät taas kääntyvät pieneen laastari taivaan, joka sisältää sulautumisen. Sillä välin papereita kirjoitetaan ja julkaistaan, urat heitetään, maine on varmistettu. Tiede kulkee ja odottaa – odota seuraavan mahdollisen kynonova-näkemisen, neutronisylinterin kuiskaukset tai jos olemme onnekkaita, jotain uutta kokonaan.

Tämä artikkeli julkaistiin ensimmäisen kerran ScientificAmerican.com-sivustolla. © ScientificAmerican.com. Kaikki oikeudet pidätetään Seuraa Scientific American Twitterissä @SciAm ja @SciamBlogs. Vieraile ScientificAmerican.com-sivustolla uusimmista tieteen, terveydenhuollon ja tekniikan uutisista.