Login
В августе 2017 года космический гамма-телескоп Ферми НАСА сыграл ключевую роль в двух важных прорывах, произошедших всего за пять недель. Но то, что может показаться необычайной удачей, на самом деле является результатом исследований, анализа, подготовки и развития, продолжающихся более века.
Узнайте, как больше века научного прогресса гравитационные волны, гамма-лучи и нейтрино помогли астрономии.
Ферми обнаружил первый свет, когда — либо увиденный от источника гравитационных волн-ряби в пространстве-времени, произведенный в этом случае слиянием двух сверхплотных нейтронных звезд. Всего пять недель спустя одна частица высокой энергии, открытая обсерваторией нейтрино IceCube Национального научного фонда (NSF), была прослежена до далекой галактики, питаемой сверхмассивной черной дырой, благодаря гамма-вспышке, наблюдаемой Ферми.
"На протяжении тысячелетий свет был нашим единственным источником информации о вселенной", - сказала Джули Макенери, ученый проекта Ферми в Центре космических полетов НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд.
"Недавние открытия связывают свет, наш самый известный космический курьер, с гравитационными волнами и частицами, такими как нейтрино — новые посланники, доставляющие различные виды информации, которые мы только начинаем исследовать.”
Гравитационные волны от слияния нейтронных звезд произвели сигнал, обнаруженный лазерным интерферометром гравитационно-волновой обсерватории (LIGO).
Звук в этом видео представляет те же частоты, что и комбинированное растяжение и сжатие, вызванное волнами, проходящими через детекторы LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана.
Всего через 1,7 секунды короткий всплеск гамма-лучей, обозначенный пингом, был замечен космическим телескопом Ферми НАСА.
История развития этих исследований
Истоки этих открытий восходят к передовым исследованиям еще в 1887 году. Именно тогда физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели эксперимент по обнаружению вещества, называемого эфиром, которое постулировалось средой, позволяющей световым волнам путешествовать в пространстве.
Как показал их эксперимент, и многие с тех пор подтвердили, эфира не существует. Но отрицательный результат оказался одним из вдохновений для специальной теории относительности Альберта Эйнштейна 1905 года. Он обобщил это в полноценную теорию гравитации в 1915 году, который предсказал существование гравитационных волн.
Столетие спустя, в сентябре 2015 года, лазерный интерферометр NSF гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) впервые обнаружила эти пространственно-временные колебания, когда волны от слияния двух черных дыр достигли Земли. Между ними последовал устойчивый поток достижений, включая лазеры, усовершенствованные приборы и все более мощные компьютеры и программное обеспечение.
“Так же, как изобретение детекторных технологий заняло десятилетия, так и теоретическая и вычислительная основа для анализа и интерпретации многосерийных наблюдений”, - сказал Тайсон Литтенберг, главный исследователь исследовательской группы LIGO в Центре космических полетов Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама.
“Мы прошли через бесчисленное множество симуляций, чтобы проверить новые идеи и улучшить существующие алгоритмы, чтобы мы были готовы максимально использовать первые наблюдения, и что фундаментальные исследования и разработки продолжаются.”
До 2005 года не было даже возможности смоделировать в деталях, что происходит, когда пара орбитальных черных дыр объединяется. Прорыв произошел, когда отдельные команды в Годдарде и Техасском университете в Браунсвилле независимо друг от друга разработали новые вычислительные методы, которые преодолели все предыдущие препятствия.
Точное понимание гравитационно-волновых сигналов является одним из важных шагов в развитии методов, предназначенных для их быстрого обнаружения и характеристики.
“Еще одним принципиальным событием стало оптимизированный анализ трубопроводов и инфраструктуры информационных технологий, которая может сравнение теоретической модели с данными, признать наличие сигнала, вычислить местоположение источника на небе и преобразования информации таким образом, что остальная часть астрономического сообщества могли это использовать”, - пояснил Тито Даль Кэнтон, сотрудник докторской программы НАСА и член LIGO, группы исследований Годдарда.
Астрономы должны знать о короткоживущих событиях как можно скорее, чтобы они могли расширить спектр телескопов в космосе и на земле.
Еще в 1993 году ученые из Goddard and Marshall начали разработку автоматизированной системы для распределения мест гамма-всплесков (GRBs) — отдаленных, мощных взрывов, которые обычно длятся минуту или меньше — астрономам по всему миру в режиме реального времени.
Расположенная в Годдарде и возглавляемая главным исследователем Скоттом Бартельми, сеть координат гамма-лучей - Транзиентная астрономическая сеть теперь распространяет сигналы от многих космических миссий, а также наземных инструментов, таких как LIGO и IceCube.
Призрачные частицы
Историческая нить нейтрино началась с французского физика Анри Беккереля и его открытия радиоактивности в 1895 году. В 1930 году, после изучения радиоактивного процесса, называемого бета-распадом, Вольфанг Паули предположил, что он, вероятно, связан с новой субатомной частицей, позже названной нейтрино.
Теперь мы знаем, что нейтрино обладают небольшой массой, движутся почти так же быстро, как свет, бывают трех сортов и являются одними из самых распространенных частиц во Вселенной. Но поскольку они не взаимодействуют с другими материями, нейтрино не были обнаружены до 1956 года.
В 1912 году Виктор Гесс обнаружил, что заряженные частицы, называемые теперь космическими лучами, постоянно попадают в атмосферу Земли со всех сторон, что означает, что пространство заполнено ими.
Когда космические лучи ударяют по молекулам воздуха, столкновение производит ливень частиц-включая нейтрино - которые идут как дождь вниз через атмосферу. Поиск астрономических источников нейтрино означал проведение экспериментов под землей для уменьшения интерференции космических лучей и создание очень больших детекторов для нахождения слабых сигналов нейтрино.
Нейтрино, образующиеся в результате ядерных реакций в ядре Солнца, были впервые обнаружены в 1968 году благодаря эксперименту с использованием 100 000 галлонов жидкости для сухой очистки, расположенной глубоко в золотом руднике Южной Дакоты.
Открытие следующего астрономического источника нейтрино займет еще 19 лет. Сверхновая 1987A, звездный взрыв в соседней галактике, остается самой яркой и ближайшей сверхновой, замеченной более чем за 400 лет, и является первой, для которой оригинальная звезда может быть идентифицирована на изображениях до взрыва.
Теоретики предполагали, что нейтрино, которые легче ускользают от коллапсирующей звезды, чем свет, будут первым сигналом от новой сверхновой. И за несколько часов до того, как видимый свет 1987A прибыл на Землю, детекторы в Японии, США и России обнаружили короткий всплеск нейтрино, сделав сверхновую первым источником нейтрино, идентифицированных за пределами Солнечной системы.
“Если бы ни один из этих экспериментов не работал в то время, нейтринный сигнал прошел бы незамеченным”, - сказал Фрэнсис Хальзен, главный исследователь IceCube, который по существу является нейтринным телескопом, встроенным в кубический километр льда на Южном полюсе.
"Недостаточно разработать технологию, уточнить теории или даже построить детектор. Мы должны проводить наблюдения как можно чаще, чтобы иметь наилучшие шансы поймать краткие, редкие и интересные с научной точки зрения события. И Ферми и IceCube работают непрерывно, делающ непрекращающийся замечания неба.”
Гамма-лучи
Третья историческая нить относится к гамма-лучам, самой высокоэнергетической форме света, открытой в 1900 году французским физиком полом Вильяром.
Когда гамма-луч с достаточной энергией взаимодействует с веществом, он обеспечивает идеальную демонстрацию самого известного уравнения Эйнштейна, E=mc2, мгновенно превращаясь в частицы - электрон и его антиматериальный аналог, позитрон. И наоборот, столкновение электрона и позитрона приводит к гамма-излучению.
В сентябре 2017 года, нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе, обнаружила высокоэнергетическое нейтрино, которое, казалось, пришло из глубокого космоса. Космический телескоп Ферми (слева в центре) определил источник как сверхмассивную черную дыру в галактике на расстоянии около 4 миллиардов световых лет. Это первый источник нейтрино высокой энергии, идентифицированный за пределами нашей галактики. 
Спутник NASA Explorer 11, запущенный в 1961 году, обнаружил первые гамма-лучи в космосе. В 1963 году ВВС США начали запуск серии спутников в рамках проекта Vela. Эти все более совершенные спутники предназначались для проверки соблюдения международного договора, запрещающего испытания ядерного оружия в космосе или в атмосфере. Но, начиная с июля 1967 года, ученые узнали, что спутники Vela наблюдают кратковременные гамма-события, которые явно не связаны с испытаниями оружия.
Эти взрывы были совершенно новым явлением, известным в настоящее время как смерть некоторых типов массивных звезд или слияние орбитальных нейтронных звезд. НАСА также исследовало гамма-небо с помощью гамма-обсерватории Комптона, которая работала с 1991 по 2000 год и регистрировала тысячи GRB.
Начиная с 1997 года, критические наблюдения итальянско-голландского спутника BeppoSAX доказали, что GRBs находятся далеко за пределами нашей галактики. Комптон был заменен обсерваторией НАСА Нила Герелса Свифта в 2004 году и Ферми в 2008 году, миссии, которые продолжают исследовать высокоэнергетическое небо и следить за предупреждениями LIGO и IceCube.
На правах рекламы: Окна ПВХ в Минске
