Suuri tähtitiede alkaa: AI-avusteinen multimessenger-astrofysiikka on maailmankaikkeus oppimassa itse (Op-Ed)

Kaksi neutronitähteä törmää

Taiteilijan kuva kahdesta neutronitähdestä, jotka törmäävät toisiinsa. (Kuva: Robin Dienel; Carnegie Institution for Science)



Galileo Galilei, ensimmäinen moderni tiedemies, oli yksinäinen susi. Pienellä tulenkestävällä kaukoputkellaan ja monilla yön yksin havainnoilla Galileo muutti dramaattisesti ihmiskulttuurin kehitystä. Mutta ajat, jolloin eristetty nero voi ohjata juuremme käsityksen maailmankaikkeudesta, ovat todennäköisesti ohi.

Kun havaittiin neutronitähtien sulautuminen 17. elokuuta 2017 ja sen jälkivalaistus seuraavien 18 päivän aikana, tähtitiede kulki eräänlaisen diodin läpi: portti kääntyi kiinni yksinäisen tähtitieteilijän takana. Tämä oli multimessenger-astrofysiikan kynnyksellä-tapahtumat, jotka nähdään sähkömagneettisen spektrin päästöjen kautta ja kuullaan gravitaatioaaltojen kautta, jotka aaltoilevat itse aika-avaruuden aineen.



Vaikka yksinäinen tähtitieteilijä voi vielä napata uuden komeetan siellä ja täällä, tästä lähtien perustavanlaatuisiin löytöihin liittyy todennäköisesti tuhansia ammattimaisia ​​yhteistyökumppaneita ja joissakin tapauksissa kymmeniä tuhansia kansalaistutkijoita. Uudet havainnot vaativat ihmisten rinnalla monia tekoälytapauksia ja joukkoa 'taivaanharjoittajia'. Olemme siirtyneet suuren tähtitieteen aikakauteen. [ Gravitaatioaallot Neutron Stars: Discovery Explained ]

Aaltojen sieppaus

Neutronitähdet ovat kovimpia kovapalloja, jotka luonto osaa heittää. Andy Howell, Kalifornian yliopiston henkilökuntatieteilijä, Santa Barbaran Las Cumbresin observatorio, vertaa niitä jättimäisiin ytimiin, mutta ne koostuvat kokonaan neutroneista (toisin kuin todelliset ytimet, joissa on myös protoneja). Kun ne pyörivät lähemmäs toisiaan, he vuotavat kiertoradan energiaa painovoima -aaltojen tehostamiseksi. Kun neutronitähdet törmäävät yhteen, niiden luoma erittäin kirkas salama, joka tunnetaan nimellä kilonova, paljastaa, mistä ne on tehty ja mitä uusia elementtejä ne tekevät törmäyksessä.



Kolme gravitaatioaaltoilmaisinta havaittiin ensin tuhansien kilometrien etäisyydellä toisistaan ​​ja sitten alle kaksi sekuntia myöhemmin kaksi gammasäteilyvälinettä avaruudessa, tähti-onnettomuuden näkyvät haisevat jäänteet kesti alle 10 tuntia löytääkseen taivaalla. Seitsemän observatorioa löysi sen itsenäisesti, ensimmäinen noin 45 minuutin kuluessa etsinnän aloittamisesta-uusi kirkas kohde vanhassa galaksissa nimeltä NGC 4993, joka sijaitsee noin 130 miljoonan valovuoden päässä Maasta.

Yli 70 laitosta, jotka käyttävät yli 100 kaukoputkea seitsemällä mantereella, ryntäsivät mittaamaan sähkömagneettisen spektrin jokaista osaa. He tarkensivat toisilleen, mistä etsiä ja mitä etsiä. He seurasivat tapahtuman kehitystä ja luovuttivat sen toisilleen, kun jälkivalaistus muuttui kirkkaasta loisteesta ultravioletti- ja sinisen aallonpituuksilla punaiseksi noin kolmen päivän kuluessa. Ja he työskentelivät, kun päästöt hälvenivät infrapuna- ja radiotaajuuksilla. He saivat kaikuja röntgensäteissä.



Uusi valonlähde oli erityisen haastava, koska se sijaitsi lähellä aurinkoa maan taivaalla ja oli havaittavissa joka yö vain tunnin ajan. Mutta kun on runsaasti tietoa monista hyvin erilaisista näkökulmista, useita perustavanlaatuisia astrofysiikan tapauksia saatiin päätökseen vain muutaman viikon etsintätyössä.

Edullisten tietojenkäsittelyn, hienostuneiden kuvankompositointialgoritmien, edullisten anturijärjestelmien ja kaikkialla läsnä olevan internetin yhtymäkohde luo pohjan. Laser-kohdistetun robottioptiikan avulla, joka korjaa ilmakehän vääristymiä ja teleskooppeja, jotka lentävät ennen kaikkea 'hernekeittoa' ohittaen ongelman kokonaan, yhteistyöhavainto on lisääntynyt koko tämän nuoren vuosisadan.

Korkean dynaamisen alueen valokuvaus tuottaa kuvia, joissa on paljon suurempi valon ja pimeyden välinen valotus kuin tavalliset kamerat voivat ottaa-ja suurempi kuin silmäsi voi nähdä. Älypuhelimesi kamerassa on todennäköisesti HDR -asetus. Samoin taivaalla olevia esineitä voidaan kuvata esimerkiksi Hubble -avaruusteleskoopilla optisilla aallonpituuksilla. Spitzer -avaruusteleskooppi infrapunassa ja Chandran observatoriossa röntgensäteillä, ja nämä tiedot voidaan pinota yhteen kuvaan. Maailmankaikkeus paljastaa osan salaisimmasta dynamiikastaan, kun se altistetaan tällä tavalla, varsinkin kun useita tietojoukkoja otetaan ajan mittaan. [Hubble kuvissa: tähtitieteilijöiden suosituimmat valinnat (valokuvat)]

Aaltojen kuulo

Tämä oli Big Astronomian ratkaiseva hetki.

Painovoima-aaltodatan lisääminen visuaaliseen sekoitukseen tuo ääniraidan elokuvaan, sanoi Dave Reitze, Laserinterferometrin gravitaatioaaltojen observatorio (LIGO) Lab Caltechissa. Iso tähtitiede vaatii isojen panosten tekemistä. National Science Foundation teki yhden tällaisen valtavan panoksen 1980 -luvulta lähtien varhaisella ja jatkuvalla tuella Caltechin ja MIT: n LIGO -projektille. Tuolloin kukaan ei ollut varma, että instrumentti voitaisiin rakentaa. Jotkut olivat varmoja, että ei voi.

Vuosikymmeniä aiemmin Albert Einstein oli vakuuttunut siitä, että oli hulluutta yrittää. Einsteinin omien vuoden 1915 kenttäyhtälöiden mukaan yleisen suhteellisuusteorian , avaruus-aika on erittäin jäykkää tavaraa. Se vaatii titaanista energian vapautumista, jotta se hiipuu, jopa vähän. Ja tarvitaan melkein käsittämättömän herkkä instrumentti tällaisen tapahtuman tuottaman gravitaatioaaltojunan havaitsemiseksi. Jopa Einsteinin mieli ei voinut ennakoida teknologisen kehityksen vauhtia seuraavan vuosisadan aikana.

Silti 1,1 miljardilla dollarilla LIGO oli erittäin riskialtis ehdotus. Sen eurooppalainen vastine, Neitsyt (rahoitti Ranska ja Italia Alankomaiden, Puolan, Unkarin ja Espanjan avustuksella), tuplasi uhkapelin. Mutta katso voittoja, jotka ovat levinneet:

  • LIGOn ensimmäinen havainto - kaksi yhteen sulautuvaa mustaa aukkoa, joka tuli 14. syyskuuta 2015 - vihdoin vahvisti Einsteinin matemaattisen ennustuksen painovoiman aallot olisi havaittu.
  • Multimessenger-neutronitähtien sulautumishavainto 17. elokuuta 2017 (joka julkistettiin lokakuussa) pidentää uuden tiedon satoa: Kun kosmos on kulkenut 130 miljoonan vuoden ajan, sen painovoima-aaltorintama ja gammasäteilyn purske saapuivat alle 2 sekuntia toisistaan. Nyt tähtitieteilijät tietävät, mistä jotkut näistä gammasäteilystä ovat peräisin.
  • Lähes samanaikainen saapuminen vahvistaa myös Einsteinin oletuksen, että valon nopeus on itse asiassa maailmankaikkeuden laki; sähkömagneettinen säteily ja painovoima -aallot kulkevat samalla nopeudella.
  • Tämä puolestaan ​​antaa kosmologeille uuden mittanauhan, jolla voidaan mitata maailmankaikkeuden kiihtyvä laajentumisnopeus, tällä hetkellä sumea luku, joka tunnetaan Hubble -vakiona.
  • Sitten tuli tähtionnettomuuden valon spektrografinen analyysi, joka vahvisti, että monia raskaita elementtejä, kuten platinaa ja uraania, syntyy tällaisten supertiheiden tähtiruumien törmääessä. Kaivamme kultaa-emme pääse siihen-koska muinaiset neutronitähtien leikit tekivät kaiken todella kovan työn.

Filosofista kiertoa tässä on vaikea sivuuttaa: Ihmiset ovat yksi tavoista, joilla maailmankaikkeus pyrkii ymmärtämään itseään. Tähtien onnettomuuksien tuottamat korkeamman asteen elementit mahdollistavat tekniikoita, joiden avulla voimme tutkia tarkasti katastrofaalisia tähtiä. Kun gravitaatioaaltojen havainnot on sekoitettu palettiin, tähtitieteilijöiden pitäisi pystyä maalaamaan paljon tarkempia muotokuvia erittäin raskaita esineitä, kuten mustia aukkoja, ympäröivästä aika-ajasta. Vastaavatko nämä maisemat Einsteinin mielikuvitusta? Vai hajoaako yleinen suhteellisuusteoria vääntyneen ulottuvuuden kaukaisimmilla reunoilla? Tarvitsemmeko uutta fysiikkaa selittämään olemassaolon ääripäitä? [ 8 Hämmentävää tähtitieteen salaisuutta ]

Uuden tieteen eläminen

Kaikki ne tähtitieteilijät ja hallintovirkamiehet - yli 1000 ihmistä -, jotka ryhtyivät saamaan kiinni törmäyksen viimeisistä valoista, ansaitsevat niin paljon ylpeyttä kuin voivat antaa tuntea. Monet lopettivat omat tarkkailukampanjansa siirtyäkseen NGC 4993: een. Mutta mitä tapahtuu, kun päivitetty LIGO palaa verkkoon ja havainnot alkavat ilmestyä kuukausittain? Tai kasaantuu viikoittain? Tavarat räjähtää jossain maailmankaikkeudessa koko ajan. Mitkä tapahtumat ovat etusijalla ja miksi? Elämme uutta aikakautta, ja uusia protokollia tarvitaan. Useiden tutkijoiden mukaan tarvitaan myös muutamia robotti -teleskooppeja, joiden tärkein huolenaihe on valppaus sellaisten moniviestien kaappaamiseen, joita maailmankaikkeus voi lähettää.

Elokuun 2017 neutronitähti-onnettomuuden kertomus on yksi nopeasti reaktiivisista havainnoista. Big Astronomian seuraava luku voidaan kuitenkin kirjoittaa taannehtivan löytämisen kielellä. Ohjelmat, kuten Suuri synoptinen mittausteleskooppi kuvaa lähes koko taivaan, lähes koko ajan. Todella jättimäisen tiedon tallennuksen ja noidan taitavasti taitavien algoritmien avulla se voidaan ohittaa, ja ohimenevät tapahtumat tallennetaan kauan ennen kuin niiden merkitystä epäillään.

Tulevat suuret löydöt maailmankaikkeudesta eivät johdu siitä, että ihmiset pelaavat ahkeraa puhelinpeliä. Todella älykäs automaatio luultavasti luonnehtii, korreloi ja merkitsee merkittävimmät havainnot ihmisten tähtitieteilijöille. Verkkovälineet - kuvantimet, spektrografit ja interferometrit - voisivat palvella läpimurtoja lähes täysin. Tutkijoiden on kuitenkin taitavasti ja yhteistyössä koodattava heidät löytääkseen rajaehdot. Big Astronomian seuraava läpimurto tulee siitä, että monet ihmiset suostuvat esittämään oikeat kysymykset.

Olemme kollegoideni kanssa tehneet lyhytelokuvan, Star Crash - Tähtitieteen muuttanut räjähdys , '' kertoo hämmästyttävän tarinan tämän kesän neutronitähtien sulautumisen havaitsemisesta. Toivomme, että kertomuksemme tarinasta elää sen eläneiden rohkeuden mukaan.

Seuraa tätä kirjoittajaa @DavidSkyBrody . Seuraa meitä @Spacedotcom , Facebook ja Google+ . Alunperin julkaistu Space.com .