Теперь я постараюсь ответить на вопросы моих читателей и друзей по этой теме.
Некоторые хотели получить более полную картину того, что произошло, в то время как другие хотели прояснить, почему это открытие было настолько важным.
Поэтому я написал эту статью, объясняя, что такое нейтронные звезды и черные дыры, каково их слияние и почему это объявление важно.
Ее важность заключается в нескольких пунктах, и свести их к одному достаточно сложно.
Помимо этого я даю ответы и на другие вопросы.
Во-первых, оговорка: я не являюсь экспертом в сложной теме слияний нейтронных звезд и возникающих в результате взрывов, известных как «килоны».
Они гораздо сложнее, чем слияния черных дыр.
Я все еще изучаю некоторые детали сам.
Надеюсь, я избежал ошибок, но в некоторых случаях у меня нет ответов на все вопросы.
Основные вопросы о нейтронных звездах, черных дырах и их слияниях
Что такое нейтронные звезды, черные дыры и как они связаны?
Каждый атом состоит из крошечного атомного ядра, состоящего из нейтронов и протонов (очень похожих друг на друга) и свободно окруженного электронами.Большая часть атома представляет собой пустое пространство, поэтому в экстремальных условиях его можно раздавить – но только в том случае, если каждый электрон и протон превратятся в нейтрон (остающийся на прежнем месте) и нейтрино (вылетающий в космос).
Когда у гигантской звезды заканчивается топливо, давление в ее ядерной печи падает, и она разрушается под собственным весом, создавая экстремальные условия, при которых материя может быть разрушена.
Таким образом, недра звезды с массой в несколько раз большей, чем у Солнца, превращается в шар нейтронов диаметром в несколько километров, а число нейтронов в нем приближается к 1 с последующими 57 нулями.
Если звезда достаточно большая, но не слишком большая, нейтронный шар становится прочным и сохраняет свою форму, а остатки звезды взрываются наружу, разбиваясь на куски — процесс, называемый «сверхновой с коллапсом ядра».
Шарик нейтронов остается на месте – мы называем его нейтронной звездой.
Он состоит из самой плотной материи, которую мы можем себе представить во Вселенной, — чистого атомного ядра диаметром несколько километров.
Это очень твердая поверхность; если бы вы попытались проникнуть внутрь нейтронной звезды, вы бы почувствовали себя гораздо хуже, чем если бы вы столкнулись с закрытой дверью на скорости в несколько сотен км/ч.
Если звезда была очень крупной, то образовавшийся нейтронный шар вскоре (или сразу) может разрушиться под собственным весом и породить черную дыру.
При этом сверхновая может появиться, а может и не появиться – звезда может просто исчезнуть.
Черная дыра очень сильно отличается от нейтронной звезды.
Черная дыра — это то, что остается после безвозвратного коллапса материи в себя, бесконечно сжимаясь под действием гравитации.
И если у нейтронной звезды есть поверхность, о которую можно разбить голову, то у черной дыры поверхности нет — у нее есть край, который является просто точкой невозврата, называемой горизонтом [событий].
По теории Эйнштейна, через него можно пройти, как через открытую дверь.
Вы даже не заметите момент перехода.
(Но это верно для теории Эйнштейна.
Однако существуют разногласия по поводу того, превращает ли сочетание теории Эйнштейна и квантовой физики эту грань во что-то новое и опасное для вступающих; это известно как «спор
брандмауэр », но обсуждение этого увело бы нас слишком далеко в область теоретизирования).
Но как только вы пройдете через эту дверь, вы не сможете вернуться назад.
ЧД могут образовываться и другими способами – но это не те ЧД, которые мы можем наблюдать с помощью детекторов LIGO/VIRGO.
Почему их слияния являются лучшими источниками гравитационных волн?
Один из самых простых и очевидных способов создания гравитационных волн — заставить два объекта вращаться вокруг друг друга.Если опустить в воду два кулака и покрутить ими друг вокруг друга, то получится рисунок волн, движущихся по воде в разные стороны; это очень грубая аналогия того, что происходит с двумя объектами, вращающимися вокруг друг друга, хотя, поскольку объекты движутся в пространстве, волны не появляются в какой-то среде, например воде.
Это волны самого пространства.
Для получения мощных ГВ необходимо, чтобы оба объекта имели очень большую массу и вращались с большой скоростью.
Для достижения высокой скорости необходимо очень сильное гравитационное притяжение; а для этого объекты должны быть расположены как можно ближе друг к другу (поскольку, как знал Исаак Ньютон, сила тяжести между двумя объектами увеличивается по мере уменьшения расстояния между ними).
Но если объекты большие, они не могут приближаться слишком близко друг к другу; они столкнутся друг с другом и сольются задолго до того, как смогут достаточно ускориться.
Следовательно, чтобы получить очень большую орбитальную скорость, необходимо взять два относительно небольших объекта с относительно большими массами — то, что ученые называют компактными объектами.
Нейтронные звезды и черные дыры — самые компактные из известных нам объектов.
К счастью, они часто движутся парами, а иногда, незадолго до слияния, они движутся вокруг друг друга достаточно быстро, чтобы создавать GW, которые могут быть обнаружены LIGO и VIRGO.
Почему эти объекты вообще появляются парами?
Звезды нередко движутся парами.Тогда их называют двойные звезды .
Они могут начать жизнь парой, образуясь вместе в большом газовом облаке, или, если они возникли отдельно, они могут образовать пару, находясь в многолюдном сообществе звезд, где соседние звезды часто пролетают близко друг к другу.
Удивительно, но такая пара смогла пережить коллапс и взрыв каждой звезды, в результате чего две черные дыры, две нейтронные звезды или одна черная дыра и одна NS вращались вокруг друг друга.
Что происходит, когда эти объекты сливаются?
Неудивительно, что можно обнаружить три класса слияний: слияние двух ЧД, слияние двух НЗ и слияние НЗ с ЧД.Первый класс мы наблюдали в 2015 году (анонсировали в 2016 году), второй анонсировали в 2017 году, а ожидание третьего — лишь вопрос времени.
Два объекта могут вращаться вокруг друг друга в течение миллиардов лет, очень медленно испуская гравитационные волны (этот эффект наблюдался в 70-х годах, за что они получили Нобелевскую премию), и постепенно сближаясь.
И только в последний день их жизни орбитальная скорость начинает по-настоящему увеличиваться.
И непосредственно перед слиянием они начинают вращаться со скоростью примерно один оборот в секунду, затем десять оборотов в секунду, затем сто оборотов в секунду.
Представьте себе это, если можете: объекты диаметром в несколько десятков километров, расположенные на расстоянии нескольких километров друг от друга, с массой больше Солнца, вращающиеся вокруг друг друга со скоростью 100 раз в секунду.
Потрясающее явление – вращающаяся гантель, которое не могли себе представить даже самые выдающиеся умы 19 века.
Я не знаю ни одного учёного, который не был бы в восторге от этого зрелища.
Все это звучит как научная фантастика, но это не так.
Откуда мы знаем, что это не научная фантастика?
Это не НФ, если мы доверяем теории гравитации Эйнштейна.Она предсказывает, что такая быстро вращающаяся гантель огромной массы, образованная двумя компактными объектами, должна производить характерную картину пространственных возмущений — гравитационные волны.
Эта закономерность одновременно сложна и точно прогнозируема.
В случае с черными дырами предсказания охватывают период вплоть до момента слияния, а также после него, включая описание сигналов от более крупной черной дыры, появившейся в результате слияния.
В случае с НЗ моменты незадолго до столкновения, самого слияния и сразу после него более сложны и мы не уверены, что до конца их понимаем, но за несколько десятков секунд до слияния теория Эйнштейна очень точно знать, чего ожидать.
Теория также предсказывает дальнейшие события — как эти волны будут распространяться на большие расстояния от места, где они возникли, достигнут Земли и как они проявят себя в сети LIGO/VIRGO на трех детекторах гравитационных волн.
Итак, есть несколько предсказаний о том, чего ожидать от LIGO/VIRGO: теория используется для предсказания существования и свойств ЧД и НЗ, детальных характеристик их слияний, точных закономерностей возникающих гравитационных волн и того, как именно гравитационные волны распространяться через пространство.
LIGO/VIRGO обнаружила характерные закономерности этих гравитационных волн.
И тот факт, что эти рисунки точно согласуются с теорией Эйнштейна, является самым надежным доказательством, когда-либо полученным, что теория не содержит ошибок при использовании в этих объединенных контекстах.
Замечу, что доказательство несколько самореферентно — но именно так и продвигается научное знание, в виде серии нескольких детальных проверок непротиворечивости, которые постепенно настолько переплетаются друг с другом, что их практически невозможно разделить.
Научное рассуждение носит не дедуктивный, а индуктивный характер.
Мы делаем это не потому, что это имеет полный логический смысл, а потому, что это работает удивительно хорошо - и доказательством тому является компьютер с экраном, на котором я печатаю этот текст, проводной Интернет вместе с беспроводными соединениями и компьютерный диск, на котором я печатаю этот текст. будет использоваться для хранения и передачи текста.
Значение октябрьского объявления о слиянии нейтронных звезд
Значение объявления трудно объяснить, поскольку оно состоит из множества важных результатов, наложенных друг на друга, а не просто одного результата, который можно резюмировать в нескольких словах.И вот список того, что мы узнали.
Ни один из ее элементов не потрясает основы Вселенной, но каждый из них весьма интересен, и вместе они образуют важное событие в истории науки.
Первое подтвержденное наблюдение слияния двух НЗ.
Мы знали, что такие слияния должны произойти, но не были в этом уверены.
А поскольку эти вещи находятся слишком далеко от нас и слишком малы, чтобы их можно было увидеть в телескоп, единственным способом убедиться в том, что слияния происходили, и узнать о них более подробную информацию было использование гравитационных волн.
Мы надеемся увидеть еще больше таких слияний в ближайшие годы, поскольку гравитационная астрономия повысит свою чувствительность и узнает о них больше.
Новая информация о свойствах нейтронных звезд
Существование НЗ было предсказано почти сто лет назад и подтверждено в 60-70-х годах.Но их точные свойства неизвестны; мы думаем, что они подобны гигантским атомным ядрам, но они настолько больше обычных атомных ядер, что мы не можем быть уверены, что понимаем все их внутренние свойства, и в научном сообществе ведутся споры, которые нелегко разрешить - но, возможно, они скоро прекратится.
Из детальной картины гравитационных волн от слияния нейтронных звезд ученые уже узнали две вещи.
Во-первых, мы подтвердили, что теория Эйнштейна правильно предсказывает основную картину гравитационных волн, исходящих от НЗ или черных дыр, вращающихся вокруг друг друга.
Но, в отличие от BH, остается еще много вопросов о том, что произойдет после слияния Новой Зеландии.
И вопрос о том, что произошло с нашей парой после слияния, остается открытым – образовалась НЗ, нестабильная НЗ, которая в процессе замедления вращения схлопнулась в черную дыру, или черная дыра возникла сразу? Но мы уже узнали кое-что важное о внутренних свойствах НС.
Напряжения такого быстрого вращения разорвали бы нас с вами на части и даже могли бы разорвать Землю на части.
Мы знаем, что НЗ намного прочнее обычного камня, но насколько прочнее? Если бы они были слишком хрупкими, они бы сломались в какой-то момент во время наблюдений LIGO/VIRGO, и ожидаемая простая картина гравитационных волн внезапно стала бы намного более сложной.
Но этого не произошло, по крайней мере, до момента, непосредственно предшествовавшего слиянию.
Таким образом, ученые могут использовать эту простоту модели гравитационных волн, чтобы получить новые доказательства того, насколько тверды и сильны НЗ.
Последующие слияния улучшат наше понимание проблемы.
Другого простого метода получения такой информации не существует.
Первое наблюдение явления, порождающего как сильнейшие гравитационные волны, так и яркие электромагнитные волны.
Слияние черных дыр не должно создавать яркий свет, потому что, как я уже говорил, они больше похожи на открытые двери на невидимую игровую площадку, чем на камни, поэтому сливаются довольно тихо, без ярких и горячих столкновений.
Но нейтронные звезды подобны большим шарам материи, поэтому их столкновение может генерировать огромное количество тепла и света всех видов – как и можно было наивно ожидать.
Под «светом» я подразумеваю не только видимый свет, но и всевозможные электромагнитные волны всех длин волн (и, соответственно, всех частот).
Ученые делят спектр электромагнитных волн на категории.
Это радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение – в порядке возрастания частоты и убывания длины волны.
Обратите внимание, что эти категории и разделение между ними совершенно произвольны, но они оказываются полезными для самых разных научных целей.
Единственное фундаментальное различие между желтым светом, радиоволнами и гамма-лучами — это частота и длина волны; во всем остальном это одно и то же: волна электрических и магнитных полей.
Так что в случае слияния двух НЗ мы ожидаем появления как гравитационных, так и электромагнитных волн разной частоты, возникающих в результате разных эффектов вследствие столкновения двух огромных нейтронных шаров.
Но то, что мы их ожидаем, не означает, что их будет легко обнаружить.
Такие слияния довольно редки — возможно, одно каждые несколько сотен тысяч лет в такой большой галактике, как наша, — поэтому те, которые мы обнаруживаем с помощью LIGO/VIRGO, обычно будут довольно далеко от нас.
Если световое шоу будет слишком тусклым, наши телескопы не смогут его увидеть.
Но это шоу оказалось достаточно ярким.
Детекторы гамма-излучения в космосе немедленно уловили его, подтвердив, что гравитационные волны от двух НЗ привели к столкновению и слиянию, которое произвело очень высокочастотный свет. И это само по себе было чем-то уникальным.
Будто человек всю жизнь наблюдал за молнией, но никогда не слышал грома; или он наблюдал волны от ураганов, но никогда не видел самого урагана.
Тот факт, что мы увидели сразу два проявления слияния, открывает совершенно новые перспективы; иногда один плюс один дает больше двух.
Со временем — через несколько часов и дней — эффекты термоядерного синтеза наблюдались в видимом диапазоне, ультрафиолете, инфракрасном свете, рентгеновских лучах и радиоволнах.
Некоторые пришли раньше других, что само по себе отдельная история, но каждый из них внес свой вклад в наше понимание процессов слияния.
Подтверждение лучших предположений об источниках коротких всплесков гамма-излучения
В течение многих лет мы наблюдали в небе вспышки гамма-излучения.Среди них выделялся класс всплесков, более коротких по продолжительности, чем остальные, обычно продолжающихся пару секунд. Они пришли со всех концов неба, что указывало на то, что они пришли из далекого межгалактического пространства, предположительно из далеких галактик.
Среди других объяснений наиболее популярной гипотезой происхождения этих всплесков были слияния NS. Единственным способом подтвердить эту гипотезу было обнаружение гравитационных волн этого слияния.
Теперь этот тест пройден; Судя по всему, гипотеза подтверждается.
Это означает, что впервые мы имеем как хорошее объяснение этих коротких всплесков гамма-лучей, так и, исходя из частоты их возникновения, хорошую оценку частоты слияний НЗ во Вселенной.
Первое измерение расстояния до источника с использованием как гравитационных волн, так и красного смещения электромагнитных волн, что позволило провести новую калибровку шкалы расстояний Вселенной и скорости ее расширения.
Картина изменения гравитационных волн в результате слияния двух ЧД или НЗ достаточно сложна во времени, чтобы раскрыть нам много информации о сливающихся объектах, включая приблизительную оценку их масс и ориентации вращающейся пары относительно Земля.
Суммарная сила волн вместе со знанием их масс открывает нам расстояние пары от Земли.
Само по себе это неплохо, но настоящая польза проявляется, когда мы обнаруживаем объект, используя видимый свет или любой свет с частотой ниже гамма-лучей.
В этом случае можно определить галактику, в которой расположены эти нейтронные звезды.
Знание своей родной галактики может сделать что-то очень важное.
Глядя на свет звезд, мы можем определить, насколько быстро галактика удаляется от нас.
Для далеких галактик скорость, с которой они удаляются от нас, должна быть связана с их расстоянием из-за расширения Вселенной.
Скорость расширения Вселенной недавно была измерена с очень высокой точностью, но проблема в том, что для этого измерения используются два разных метода, не совпадающих друг с другом.
Это несоответствие является одной из важнейших проблем в нашем понимании Вселенной.
Возможно, один из методов несовершенен, а возможно – и это было бы гораздо интереснее – Вселенная ведет себя не так, как мы думаем.
Гравитационные волны дают нам третий метод: они напрямую сообщают нам расстояние до галактики, а электромагнитные волны напрямую сообщают нам скорость убегания.
Для далеких галактик другого метода проведения подобных совместных измерений не существует. Этот метод недостаточно точен, чтобы быть полезным для одного слияния, но после наблюдения десятков слияний средний результат даст нам важную новую информацию о расширении Вселенной.
Сочетание с другими методами может помочь нам разгадать эту важную загадку.
На данный момент лучшей проверкой предсказаний Эйнштейна является то, что скорости света и гравитационных волн одинаковы: поскольку гамма-лучи от слияния и пиковое значение гравитационных волн прибыли с разницей в две секунды, пройдя 130 миллионов лет - то есть путешествуя примерно за 5 миллиардов миллионов миллионов секунд - можно сказать, что скорость света и скорость гравитационных волн равна космической предельной скорости с точностью до одной части на 2 миллиарда миллионов.
Столь точный тест потребовал сочетания наблюдений гравитационных волн и гамма-лучей.
Подтверждено эффективное создание тяжелых элементов
Давно известно, что мы состоим из материи, появившейся в звездах, или звездной пыли.Но если начать разбираться в деталях этого процесса, то открываются загадки.
Известно, что все химические элементы, от водорода до железа, образуются в звездах и могут быть выброшены в космос при взрыве сверхновой, плавают туда-сюда и в конечном итоге образуют планеты, луны и людей - но было неясно, как большой образуется часть более тяжелых элементов — йода, цезия, золота, свинца, висмута, урана и так далее.
Да, они могут возникать в сверхновых, но все не так просто; и, по-видимому, во Вселенной больше атомов тяжелых элементов, чем можно объяснить сверхновыми.
В истории Вселенной было много сверхновых, но их эффективность в производстве тяжелых элементов слишком низка.
Некоторое время назад было высказано предположение, что слияние нейтронных звезд может быть подходящим кандидатом на производство этих тяжелых элементов.
Хотя такие слияния редки, они могут быть гораздо более эффективными, поскольку ядра тяжелых элементов содержат много нейтронов, и неудивительно, что столкновение двух нейтронных звезд приведет к появлению в осколках этого столкновения множества нейтронов, пригодных для создание указанных ядер.
Ключевым индикатором этого процесса было бы следующее: если бы слияние нейтронных звезд можно было обнаружить с помощью гравитационных волн, а его местоположение определить с помощью телескопов, то можно было бы изучить его свет и найти в нем характерные следы того, что сейчас называют взрывом.
" килонова ".
Лично я не знаком со всеми подробностями килоновой.
Его подпитывает процесс образования тяжелых элементов; Большинство образующихся ядер изначально радиоактивны, то есть нестабильны, а затем распадаются, испуская частицы высоких энергий, в том числе частицы света (фотоны), которые попадают в категории гамма-лучей и рентгеновских лучей.
Конечное характерное свечение должно иметь определенные характеристики: первоначально оно должно быть ярким, но затем резко тускнеть в видимом свете и долго светиться в инфракрасном.
Причины этого сложны, поэтому мы их пока пропустим.
Что важно, эти характеристики были зафиксированы, что подтвердило образование килоновой нужного типа, а значит, при этом слиянии нейтронных звезд действительно было создано огромное количество тяжелых элементов.
Таким образом, впервые у нас теперь есть множество доказательств того, что почти все тяжелые химические элементы на нашей планете и вокруг нее образовались в результате слияния нейтронных звезд. Опять же, мы не могли бы знать этого, если бы не были уверены, что это событие было слиянием нейтронных звезд, а такую информацию можно получить только путем наблюдения гравитационных волн.
Разные вопросы
Привело ли слияние этих двух НЗ к образованию новой ЧД, более крупной НЗ или нестабильной, быстро вращающейся НЗ, которая впоследствии коллапсировала в ЧД?
Нам это пока неизвестно и, возможно, мы никогда не узнаем.Некоторые учёные, участвовавшие в эксперименте, склоняются к возможности существования чёрной дыры, другие говорят, что это неточно.
Не уверен, какую дополнительную информацию мы сможем получить через некоторое время.
Если две НЗ образовали черную дыру, откуда возьмется килоновая? Почему все это не засосало в черную дыру?
ЧД не являются пылесосами; они притягивают все посредством гравитации, как это делают Земля и Солнце, и не высасывают материю каким-либо особым образом.Разница лишь в том, что если вы упадете внутрь, то не сможете выбраться.
Но так же, как вы можете избежать столкновения с Землей или Солнцем, вы можете избежать падения в черную дыру, если будете достаточно быстро двигаться по орбите или уйти в сторону, не дойдя до края [горизонта].
Суть слияния НЗ состоит в том, что в момент слияния силы, действующие на них, настолько велики, что одна или обе звезды разрываются.
Образовавшийся материал, выброшенный с большой скоростью и во всех направлениях, каким-то образом создает яркий горячий всплеск гамма-лучей, а килонова в конечном итоге светится благодаря вновь созданным атомным ядрам.
Эти детали мне пока не ясны, но я знаю, что они тщательно изучаются как с помощью приближенных уравнений, так и с помощью компьютер симуляции .
Однако точность моделирования можно подтвердить только путем тщательного изучения процесса слияния - именно такого, о котором говорилось в объявлении.
Судя по всему, эти симуляции дали хорошие результаты.
Я уверен, что они будут улучшены после сравнения с полученными данными.
Теги: #астрономия #Популярная наука #физика #черные дыры #нейтронные звезды #гравитационные волны #ligo #слияние черных дыр #Мэтт Страсслер #Мэтт Страсслер #Мэтт Страсслер #слияние нейтронных звезд #слияние нейтронных звезд #vigro
-
Убьет Ли Краудфандинг Венчурные Фонды?
19 Oct, 24 -
Структурированное И Ооп-Программирование
19 Oct, 24 -
Календарь It-Мероприятий В Беларуси
19 Oct, 24
