Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι μια μεγάλη έκρηξη ακτίνων γάμμα (GRB) προέρχεται από ένα ταχέως περιστρεφόμενο αστέρι με μεγάλη μάζα όταν ο πυρήνας του τελειώνει από καύσιμο και καταρρέει, δημιουργώντας μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του άστρου. Στην ιδέα αυτού του καλλιτέχνη, δύο πίδακες αναδύονται από το ετοιμοθάνατο αστέρι και αλληλεπιδρούν με το αέριο και τη σκόνη που το περιβάλλουν. Πηγή εικόνας: Εργαστήριο εννοιολογικής εικόνας του NASA Goddard Space Flight Center
Οι αστρονόμοι παρακολούθησαν το σκάφος, το λαμπρότερο κοσμικό γεγονός που έχει καταγραφεί ποτέ, αποδεικνύοντας τη δύναμη του πεδίου χρόνου και της αστρονομίας πολλαπλών αγγελιοφόρων. Αυτό το γεγονός και άλλα παρόμοια παρέχουν μια εικόνα για τις δυναμικές διαδικασίες του σύμπαντος και τον ρόλο της συνεργασίας στην επιστημονική ανακάλυψη.
Το τηλέφωνο του Stephen LeSage άρχισε να δονείται μετά το ημίχρονο στις 9 Οκτωβρίου 2022, ενώ παρακολουθούσε έναν αγώνα ποδοσφαίρου στην Ατλάντα με έναν φίλο του. Όταν ο Lesage είδε τα εισερχόμενα μηνύματα, ο αγώνας δεν φαινόταν πλέον σημαντικός. Υπήρχε ένα σπάνιο κοσμικό γεγονός και χρειάστηκε να αποκτήσει πρόσβαση στον υπολογιστή του αμέσως.
Ο δορυφόρος Fermi Gamma Ray της NASA και το Παρατηρητήριο Neil Gehrels-Swift εντόπισαν ένα ασυνήθιστα φωτεινό σήμα στο διάστημα και έστειλαν αυτόματες ειδοποιήσεις στους επιστήμονες. Το κανάλι συνομιλίας Fermi της ομάδας Lesage φώτισε με μηνύματα καθώς οι επιστήμονες συντόνιζαν τη στρατηγική παρακολούθησης.
«Όλοι σε εκείνη την ομάδα έλεγαν: «Αυτό το πράγμα είναι τρελό! “Ποιος είναι υπεύθυνος για την ανάλυση;” “Αυτό περιμέναμε”, θυμάται ο Lesage, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα, στο Huntsville. “Πήγαινε ώρα!”
Αυτό το ασυνήθιστο γεγονός αποδείχθηκε ότι ήταν μια κοσμική έκρηξη που ήταν ίσως η πιο φωτεινή σε ενέργειες ακτίνων Χ και ακτίνων γάμμα από την αρχή του πολιτισμού. Οι αστρονόμοι το ονόμασαν «το σκάφος», «το πιο λαμπρό από όλα». Ο Lesage οδήγησε μια ανάλυση των δεδομένων Fermi που έδειξε πόσο φωτεινό ήταν πραγματικά το σκάφος. Περισσότερα από 150 τηλεσκόπια στο διάστημα και στη Γη ακολούθησαν για να λάβουν περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με το συμβάν NASAIXPE (Ex-ray Polarimetry Explorer), το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, καθώς και το τηλεσκόπιο XMM-Newton της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας.
Το σύμπαν αλλάζει
Το σκάφος είναι ένα παράδειγμα αυτού που οι αστρονόμοι αποκαλούν αστρονομία χρονικού τομέα και πολλαπλών μηνυμάτων. Το μέρος “πεδίο χρόνου” αναφέρεται σε γεγονότα που συμβαίνουν στο σύμπαν και τα τηλεσκόπια μπορούν να παρατηρήσουν καθώς συμβαίνουν, όπως ένας σουπερνόβα ή η συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων. Η “αστρονομία πολλαπλών αγγελιοφόρων” αναφέρεται σε μια ποικιλία “αγγελιοφόρους” που μεταδίδουν πληροφορίες από το σύμπαν, συμπεριλαμβανομένων όλων των μορφών φωτός, σωματιδίων υψηλής ενέργειας και κυματισμών στον χωροχρόνο που ονομάζονται Βαρυτικά κύματα.
Ενώ το σύμπαν μπορεί να φαίνεται να αλλάζει πολύ αργά, σε εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια χρόνια, οι ουράνιοι κάτοικοί του μερικές φορές προκαλούν δραματικές αλλαγές μέσα σε λίγες μέρες ή ακόμα και σε κλάσματα δευτερολέπτων. Τα κέντρα των γαλαξιών λάμπουν όταν οι κεντρικές μαύρες τρύπες τους τρώνε την ύλη. Μαύρες τρύπες σιφόνι πλάσμα αίματος Από κοντινά αστέρια. Τα αστέρια εκρήγνυνται. Τα αστέρια νετρονίων συγκρούονται με τις μαύρες τρύπες, τα αστέρια νετρονίων με τα αστέρια νετρονίων και οι μαύρες τρύπες συγχωνεύονται με τις μαύρες τρύπες. Ακόμη και οι μακρινές συγκρούσεις ουράνιων σωμάτων μπορούν να εκπέμψουν ισχυρούς κυματισμούς που μπορούν να ανιχνευθούν από διαστημικά και επίγεια τηλεσκόπια και όργανα. Πολλά από αυτά τα φαινόμενα είναι απρόβλεπτα ως προς το πού και πότε θα συμβούν στη συνέχεια.
Η NASA διαθέτει δύο δορυφόρους «παρατηρητές» με μεγάλα οπτικά πεδία που στέλνουν ειδοποιήσεις όταν ανιχνεύουν ξαφνική λάμψη ακτίνων γάμμα: τον Fermi και τον Swift. Ο παρατηρητής ριπής ακτίνων γάμμα Fermi, το τηλεσκόπιο μεγάλης περιοχής και το τηλεσκόπιο συναγερμού ριπής Swift είναι βασικά όργανα που μπορεί να είναι τα πρώτα που θα ανιχνεύσουν αυτά τα συμβάντα.
«Όταν κάτι πάει χαμένο, όταν κάτι εκρήγνυται και εκρήγνυται ή κάτι συνθλίβεται και καταρρέει, απογειώνεται», δήλωσε η Valerie Connaughton, η οποία ηγείται του χαρτοφυλακίου Αστροφυσικής υψηλής ενέργειας και της Πρωτοβουλίας Time Domain Astronomy and Multimessaging στο τμήμα Αστροφυσικής της NASA. Έδρα στην Ουάσιγκτον.
Μόλις οι επιστήμονες λάβουν μια ειδοποίηση στους υπολογιστές και τα τηλέφωνά τους, μπορεί να είναι σε θέση να συνεργαστούν με άλλα τηλεσκόπια για να παρακολουθήσουν το συμβάν. Χρησιμοποιώντας μια ποικιλία διαφορετικών παρατηρητηρίων και διαστημικών οργάνων για να μελετήσουν αυτές τις εξαιρετικά απρόβλεπτες λάμψεις, οι επιστήμονες μπορούν να συνενώσουν τι, πού, πότε και γιατί παρατήρησαν ένα “blip” στη συνηθισμένη ησυχία του διαστήματος.
Αφού συνέκριναν παρατηρήσεις του σκάφους από διάφορα τηλεσκόπια, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι αυτή η ασυνήθιστα φωτεινή έκρηξη προήλθε από ένα σουπερνόβα, συγκεκριμένα από την κατάρρευση του πυρήνα ενός ταχέως περιστρεφόμενου τεράστιου άστρου. Και αργότερα, με στοιχεία από τη NASA Νουστάρ Κατά τη διάρκεια της αποστολής, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η ροή του υλικού που απελευθερώθηκε από το εκρηκτικό αστέρι είχε πιο περίπλοκο σχήμα από ό,τι πίστευαν αρχικά.
““Ένα γιγάντιο αστέρι μόλις εξερράγη και πρέπει να το μελετήσουμε και να μάθουμε τι συνέβη, να αναστρέψεις μηχανικά τα μέρη και να τα συναρμολογήσουμε ξανά”, είπε ο Lesage.
«Η αστρονομία στον τομέα του χρόνου μας επιτρέπει να λάβουμε θεμελιώδεις απαντήσεις σχετικά με τις ιδιότητες του σύμπαντος, τη θεμελιώδη φυσική και την προέλευση των στοιχείων».
— Έρικ Μπερνς, αστροφυσικός, Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Λουιζιάνα
Νέα φωτεινά σήματα
Μόλις πέντε μήνες μετά το σκάφος, οι επιστήμονες έλαβαν μια ειδοποίηση από τον Fermi σχετικά με τη δεύτερη φωτεινότερη έκρηξη ακτίνων γάμμα που παρατηρήθηκε τα τελευταία 50 χρόνια. Αυτό το νεότερο σήμα είναι GRB 230307A, που συνέβη τον Μάρτιο του 2023, εντάχθηκε στο σκάφος στην κατηγορία των «μακριών» εκρήξεων ακτίνων γάμμα, διάρκειας 200 δευτερολέπτων, έναντι 600 για το σκάφος. Χάρη στα υπέρυθρα δεδομένα της NASA Διαστημικό τηλεσκόπιο James WebbΟι επιστήμονες έχουν καθορίσει ότι το GRB 230307A είχε πιθανώς πολύ διαφορετική προέλευση: τη συγχώνευση δύο άστρων νετρονίων περίπου ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά από τη Γη. Επιπλέον, ο Webb ανακάλυψε το σπάνιο στοιχείο τελλούριο, το οποίο υποδηλώνει αυτό Αστέρας νετρονίων Οι συγχωνεύσεις δημιουργούν βαριά αντικείμενα όπως αυτό.
Αυτό το αποτέλεσμα εξακολουθεί να προβληματίζει αστρονόμους όπως ο Eric Burns, συν-συγγραφέας της εργασίας GRB 230307A και μέλος της ομάδας Fermi στο State University της Λουιζιάνα. Οι συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων δεν θα πρέπει να παράγουν τόσο μεγάλες εκρήξεις ακτίνων γάμμα και τα τρέχοντα μοντέλα ατομικής φυσικής δεν εξηγούν πλήρως τα μήκη κύματος μεσαίου υπέρυθρου που ανακάλυψε ο Webb. Ελπίζει ότι ο Webb θα μας βοηθήσει να μάθουμε περισσότερα για τέτοιου είδους εκδηλώσεις τα επόμενα χρόνια.
«Η αστρονομία στον τομέα του χρόνου μάς επιτρέπει να λάβουμε θεμελιώδεις απαντήσεις σχετικά με τις ιδιότητες του σύμπαντος, την ίδια τη θεμελιώδη φυσική και την προέλευση των στοιχείων», είπε ο Μπερνς.
Αυτή η εικόνα που τραβήχτηκε από το όργανο NIRCam (κοντά στην υπέρυθρη κάμερα) του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb της NASA τονίζει την έκρηξη ακτίνων γάμμα (GRB) 230307A και τη σχετική kilonova, καθώς και τον πρώην μητρικό γαλαξία του, μεταξύ των τοπικών βιότοπων άλλων γαλαξιών και αστεριών στο προσκήνιο. Τα GRB πιθανότατα τροφοδοτήθηκαν από τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων. Τα αστέρια νετρονίων εκτινάχθηκαν από τον μητρικό γαλαξία τους, διανύοντας απόσταση περίπου 120.000 ετών φωτός, περίπου με τη διάμετρο του Γαλαξία μας, πριν τελικά συγχωνευθούν αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια αργότερα. Πίστωση εικόνας: NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)
Πολλοί αγγελιοφόροι
Κοσμικοί «αγγελιοφόροι» που σχετίζονται με παροδικές κοσμικές λάμψεις βοηθούν επίσης τους επιστήμονες να ανακατασκευάσουν την προέλευσή τους. Αρχική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων το 2015 από LegoΤο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ έδειξε ότι το σύμπαν μπορούσε να παρατηρηθεί με έναν εντελώς νέο τρόπο και άνοιξε μια νέα εποχή στην οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν πολλαπλοί αγγελιοφόροι για τη μελέτη ξαφνικών διακυμάνσεων στο σύμπαν.
Το 2017, οι επιστήμονες απέδειξαν αυτή τη δυνατότητα συνδυάζοντας παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων με δεδομένα από πολλά διαφορετικά επίγεια και διαστημικά παρατηρητήρια για να μελετήσουν μια συγχώνευση kilonova ή άστρων νετρονίων, που ονομάζεται GW170817. Μεταξύ των πληροφοριών από την εκτεταμένη μελέτη αυτών των κιλονόβα, ο Μπερνς και οι συνεργάτες του τα χρησιμοποίησαν για να κάνουν την πρώτη ακριβή μέτρηση της βαρυτικής ταχύτητας, «την τελευταία σημαντική επιβεβαίωση της πρόβλεψης του Αϊνστάιν», είπε.
Σήμερα, το δίκτυο LIGO, που υποστηρίζεται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, την Ευρωπαϊκή VIRGO και την Ιαπωνική KAGRA, αναζητά γεγονότα βαρυτικών κυμάτων.
Τα καταδικασμένα αστέρια νετρονίων περιστρέφονται προς το τέλος τους σε αυτήν την απεικόνιση. Τα βαρυτικά κύματα αποστραγγίζουν την τροχιακή ενέργεια, αναγκάζοντας τα αστέρια να πλησιάσουν και να συγχωνευθούν. Καθώς συγκρούονται, μερικά από τα συντρίμμια απομακρύνονται με πίδακες σωματιδίων που κινούνται με ταχύτητα σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, παράγοντας μια σύντομη έκρηξη ακτίνων γάμμα. Πηγή εικόνας: NASA Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Laboratory
Το φως είναι ο μόνος τύπος «αγγελιοφόρου» από το σύμπαν που έχει ανιχνευθεί τόσο για το σκάφος όσο και για την έκρηξη ακτίνων γάμμα που φαίνεται ότι παρήγαγε τελλούριο. Ένα πείραμα κοντά στην Ανταρκτική που ονομάζεται IceCube, που υποστηρίζεται από το NSF, αναζήτησε νετρίνα υψηλής ενέργειας που προέρχονται από την ίδια περιοχή του ουρανού με κάθε συμβάν, αλλά δεν βρήκε κανένα. Ωστόσο, η έλλειψη παρατηρούμενων νετρίνων βοηθά τους επιστήμονες να περιορίσουν τις δυνατότητες για το πώς συμβαίνουν αυτά τα γεγονότα.
«Αυτή η προσέγγιση πολλαπλών μηνυμάτων είναι σημαντική, ακόμη και όταν δεν υπάρχει ανίχνευση», δήλωσε η Michela Nigro, αστροφυσικός και επίκουρος καθηγητής στο State University της Λουιζιάνα. «Βοηθά πραγματικά να αποκλείσουμε ορισμένα σενάρια, καθώς και να μας λέει κάτι νέο όταν έχουμε ανακαλύψεις».
Υποσχόμενο μέλλον
Για τον Lesage, ο οποίος γράφει τη διατριβή του για το σκάφος, η αστρονομία στον τομέα του χρόνου και οι πολλαπλές αντιστοιχίες είναι ένας συναρπαστικός τομέας μελέτης. Το ίδιο σκάφος εξακολουθεί να είναι κατειλημμένο από αυτόν και άλλους αστρονόμους καθώς κοιτάζουν όλες τις διαδικασίες που αποκαλύπτονται από το εξαιρετικά έντονο φως από αυτό το έντονο γεγονός. Αλλά είναι βέβαιο ότι θα έρθουν περισσότερα παροδικά γεγονότα και θα κρατήσουν τους επιστήμονες στο μυαλό τους καθώς τους κυνηγούν με μια μεγάλη ποικιλία τηλεσκοπίων και οργάνων.
“Είναι απλά περαστικά γεγονότα, κοιτάξτε τώρα αλλιώς θα το χάσετε”, είπε ο Lesage. «Δες όσο πιο γρήγορα μπορείς».
Περαιτέρω ανάγνωση: Τηλεσκόπια στη θήκη
Τα επόμενα χρόνια, η NASA θα εκτοξεύσει νέους δορυφόρους «παρατήρησης» για να βοηθήσει στην αναζήτηση ξαφνικών παροδικών γεγονότων όπως αυτό. Περιλαμβάνει αρκετές CubeSatsμια κατηγορία μικροσκοπικών διαστημικών σκαφών κατασκευασμένα σε τυποποιημένες μονάδες κύβου διαστάσεων 4 ιντσών (10 cm) σε κάθε πλευρά:
- BurstCubeΘα κυκλοφορήσει τον Μάρτιο του 2024 για την παρακολούθηση σημάτων ακτίνων γάμμα
- Το BlackCat, που θα κυκλοφορήσει το 2025, για να ανιχνεύει φως ακτίνων Χ
- StarburstΘα κυκλοφορήσει το 2027 για την παρακολούθηση σημάτων ακτίνων γάμμα
Οι διεθνείς συνεργασίες περιλαμβάνουν επίσης αυτό το είδος επιστήμης:
- Βεράντες (The Transient Ultraviolet Astronomy Satellite), ένας μικρός δορυφόρος της Ισραηλινής Διαστημικής Υπηρεσίας και του Ινστιτούτου Επιστήμης Weizmann, με ευρύ οπτικό πεδίο που ειδικεύεται στο υπεριώδες φως, έχει συνεισφορές από τη NASA. Αναμένεται να κυκλοφορήσει το 2026.
Επιπλέον, τα τηλεσκόπια της NASA με άλλους κύριους στόχους μπορούν να βοηθήσουν στην αναζήτηση αυτών των ασυνήθιστων γεγονότων:
- πνεύμαστο δρόμο του προς τον πλούσιο σε μέταλλα αστεροειδή Psyche, διαθέτει ένα φασματόμετρο ακτίνων γάμμα που οι αστρονόμοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να ανιχνεύσουν εκρήξεις ακτίνων γάμμα καθώς το διαστημόπλοιο ταξιδεύει προς τον προορισμό του τα επόμενα χρόνια.
- σοφός, που χαρτογράφησε τον ουρανό σε υπέρυθρα μήκη κύματος, βρήκε πολλά νέα μακρινά αντικείμενα και κοσμικά φαινόμενα. ο Νέοι τρόποι Η αποστολή, η οποία επαναχρησιμοποιεί το τηλεσκόπιο WISE, σαρώνει το διάστημα κοντά στη Γη για δυνητικά επικίνδυνους αστεροειδείς.
- Το ρωμαϊκό διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace της NASA, ένα υπέρυθρο παρατηρητήριο που θα ρίξει φως στα μυστήρια της αρχαίας σκοτεινής ενέργειας και θα ανακαλύψει χιλιάδες εξωπλανήτες, έχει σχεδιαστεί για να έχει θέα στον ουρανό και αναμφίβολα θα λαμβάνει φευγαλέα υπέρυθρα σήματα. Το αστεροσκοπείο θα πραγματοποιήσει αρκετές έρευνες για την αναζήτηση αυτών των φαινομένων και η αποστολή θα υποστηρίξει διάφορες ομάδες για τη μελέτη σχετικών θεμάτων που κυμαίνονται από μεταβλητά αστέρια έως τη γέννηση μαύρων οπών και ενεργών γαλαξιών. Το Roman έχει προγραμματιστεί να εκτοξευτεί μέχρι τον Μάιο του 2027 και θα παρέχει επίσης ειδοποιήσεις για αλλαγές στον ουρανό που ανιχνεύει.
- Αποστολή Near Earth Object Surveyor (NEO Surveyor). Ανιχνευτές υπερύθρων θα χρησιμοποιηθούν για να επεκτείνουν την αναζήτηση αστεροειδών και κομητών που ενδέχεται να αποτελούν απειλή για τη Γη. Οι εικόνες που θα ληφθούν από το NEO Surveyor αναμένεται επίσης να αποτυπώσουν πολλά μακρινά αντικείμενα φόντου.