Martin Rees sa en gang: “Det begynner å bli klart at rom på en måte gir det eneste laboratoriet som med hell skaper ekstreme forhold for å teste nye ideer fra partikkelfysikk. Big Bang-energiene var mye høyere enn vi kan nå på Jorden. Så når vi leter etter bevis for Big Bang og studerer ting som nøytronstjerner, studerer vi faktisk grunnleggende fysikk."
Hvis det er en vesentlig forskjell mellom generell relativitet og Newtonsk tyngdekraft, er det denne: I Einsteins teori varer ingenting for alltid. Selv om du hadde to helt stabile masser som gikk i bane rundt hverandre - masser som aldri ville brenne opp, miste materiale eller forandre seg - ville banene deres gradvis forfalle. Og hvis to masser i Newtonian tyngdekraft dreier seg om et felles tyngdepunkt for alltid, forteller generell relativitet at en liten mengde energi går tapt hver gang massen akselereres av tyngdekraftsfeltet den passerer gjennom. Denne energien forsvinner ikke, men blir ført bort i form av gravitasjonsbølger. Over tilstrekkelig lange tidsperioder vil nok energi utstråles til at de to roterende massene berører hverandre og smelter sammen. LIGO har allerede observert dette tre ganger med sorte hull. Men det kan være på tide å ta neste steg og se den første sammenslåingen av nøytronstjerner, sier Ethan Siegel til Medium.com.
Eventuelle masser som blir fanget i denne gravitasjonsdansen vil avgi gravitasjonsbølger, noe som fører til at banen blir forstyrret. Det er tre grunner til at LIGO oppdaget sorte hull:
1. De er utrolig massive
2. De er de mest kompakte objektene i universet
3. I det siste øyeblikket av sammenslåingen, roterte de med riktig frekvens slik at de kunne fikses med LIGO laserarmer
Alt dette sammen - store masser, korte avstander og riktig frekvensområde - gir LIGO-teamet et stort søkeområde der de kan famle seg etter sammenslåinger av svart hull. Krusningene fra disse massive dansene strekker seg i mange milliarder lysår og når til og med Jorden.
Salgsfremmende video:
Selv om sorte hull må ha en akkresjonsskive, forblir de elektromagnetiske signalene som sorte hull skal generere, unnvikende. Hvis den elektromagnetiske delen av fenomenet er til stede, må det produseres av nøytronstjerner.
Universet har mange andre interessante objekter som produserer store gravitasjonsbølger. Supermassive sorte hull i sentrum av galakser spiser opp gassskyer, planeter, asteroider og til og med andre stjerner og sorte hull hele tiden. Fordi hendelseshorisontene deres er så store, beveger de seg dessverre ekstremt sakte i bane og gir ut feil frekvensområde som LIGO kan oppdage. Hvite dverger, binære stjerner og andre planetariske systemer har samme problem: Disse objektene er fysisk for store og går i bane for lenge. Så lenge at vi ville trenge et romobservatorium for gravitasjonsbølger for å se dem. Men det er et annet håp som har den rette kombinasjonen av egenskaper (masse, kompakthet, riktig frekvens) som skal sees av LIGO: sammenslåing av nøytronstjerner.
Når to nøytronstjerner går i bane rundt hverandre, spår Einsteins generelle relativitetsteori orbital forfall og gravitasjonsstråling. I de siste faser av en fusjon - som aldri har blitt sett i gravitasjonsbølger - vil amplituden være på topp og LIGO vil være i stand til å oppdage hendelsen.
Neutronstjerner er ikke så massive som sorte hull, men de kan antagelig være to til tre ganger mer massive enn Solen: omtrent 10-20% av massen til tidligere oppdagede LIGO-hendelser. De er nesten like kompakte som sorte hull, med en fysisk størrelse på bare ti kilometer i radius. Til tross for at sorte hull kollapser til en enestående, har de en hendelseshorisont, og den fysiske størrelsen på en nøytronstjerne (i utgangspunktet bare en gigantisk atomkjerne) er ikke mye større enn hendelseshorisonten til et svart hull. Frekvensen deres, spesielt i løpet av de siste sekundene av sammenslåingen, er stor for LIGOs følsomhet. Hvis hendelsen skjer på rett sted, kan vi lære fem utrolige fakta.
Under spiralvridning og sammenslåing av to nøytronstjerner må det frigjøres en enorm mengde energi, så vel som tunge elementer, gravitasjonsbølger og et elektromagnetisk signal, som vist på bildet.
Skaper nøytronstjerner virkelig gammastråle?
Det er en interessant idé: at korte gammastråle-bursts, som er utrolig energiske, men varer mindre enn to sekunder, er forårsaket av sammenslåing av nøytronstjerner. De stammer fra gamle galakser i regioner hvor det ikke fødes nye stjerner, noe som betyr at bare stjernekroppene kan forklare dem. Men inntil vi vet hvordan den korte gammastrålen ser ut, kan vi ikke være sikre på hva som forårsaker dem. Hvis LIGO kan oppdage sammenslåingen av nøytronstjerner fra gravitasjonsbølger, og vi kan se en kort gammastråle briste umiddelbart etter det, vil det være den endelige bekreftelsen på en av de mest interessante ideene i astrofysikk.
De to sammenslående nøytronstjernene, som vist her, virvler og sender ut gravitasjonsbølger, men er vanskeligere å oppdage enn sorte hull. I motsetning til svarte hull, må de imidlertid skyve ut litt av massen tilbake i universet, hvor de vil bidra der i form av tunge elementer.
Hvor mye av massen deres blir ikke til et svart hull når nøytronstjerner kolliderer?
Når du ser på de tunge elementene på det periodiske bordet og lurer på hvordan de ble til, kommer en supernova til tankene. Tross alt er denne historien holdt av astronomer og er delvis sant. Men de fleste av de tunge elementene på det periodiske bordet er kvikksølv, gull, wolfram, bly, etc. - faktisk født i kollisjoner med nøytronstjerner. Det meste av massen av nøytronstjerner, i størrelsesorden 90-95%, går til å lage et svart hull i sentrum, men de gjenværende ytre lagene blir kastet ut, og danner de fleste av disse elementene i vår galakse. Det er verdt å merke seg at hvis den samlede massen til to sammenslående nøytronstjerner faller under en viss terskel, vil de danne en nøytronstjerne, ikke et svart hull. Dette er sjelden, men ikke umulig. Og vi vet ikke nøyaktig hvor mye masse som kastes ut under en slik hendelse. Hvis LIGO registrerer en slik hendelse, vil vi finne ut av det.
Det illustrerer rekkevidden for Advanced LIGO og dens evne til å oppdage fusjoner i svart hull. Sammenslåing av nøytronstjerner kan bare falle innenfor en tidel av rekkevidden og ha 0,1% av det vanlige volumet, men hvis det er mange nøytronstjerner, vil LIGO finne.
Hvor langt kan LIGO se sammenslåing av nøytronstjerner?
Dette spørsmålet handler ikke om selve universet, men snarere om hvor sensitiv LIGO-designet er. I tilfelle av lys, hvis objektet er 10 ganger lenger unna, vil det være 100 ganger svakere; men med gravitasjonsbølger, hvis objektet er 10 ganger lenger, vil gravitasjonsbølgesignalet bare være 10 ganger svakere. LIGO kan observere svarte hull mange millioner lysår unna, men nøytronstjerner vil bare være synlige hvis de samles sammen i nærliggende galaktiske klynger. Hvis vi ser en slik fusjon, kan vi sjekke hvor god maskinvaren vår er, eller hvor god den skal være.
Når to nøytronstjerner fusjonerer, som vist her, bør de lage gammastråle-jetfly, så vel som andre elektromagnetiske fenomener som, hvis jorden er nær, vil bli settbare av våre beste observatorier.
Hva slags etterglødning gjenstår etter en fusjon av nøytronstjerner?
I noen tilfeller vet vi at sterke hendelser som tilsvarer kollisjoner med nøytronstjerner allerede har skjedd, og at de etterlater signaturer i andre elektromagnetiske bånd. I tillegg til gammastråler, kan det være ultrafiolette, optiske, infrarøde eller radiokomponenter. Eller det kan være en multispektral komponent som vises i alle fem bånd, i den rekkefølgen. Når LIGO oppdager en sammenslåing av nøytronstjerner, kunne vi fange et av naturens mest forbløffende fenomener.
En nøytronstjerne, selv om den er sammensatt av nøytrale partikler, produserer de sterkeste magnetfeltene i universet. Når nøytronstjerner fusjonerer, bør de produsere både gravitasjonsbølger og elektromagnetiske signaturer.
For første gang vil vi kunne kombinere gravitasjonsbølge-astronomi med tradisjonell
Tidligere hendelser fanget av LIGO var imponerende, men vi har ikke hatt muligheten til å observere disse sammenslåingene gjennom et teleskop. Vi sto uunngåelig overfor to faktorer:
- Hendelsens posisjoner kan ikke prinsipielt bestemmes med bare to detektorer
- Sammenslåing av sorte hull har ikke en lys elektromagnetisk (lett) komponent
Nå som VIRGO jobber synkronisert med to LIGO-detektorer, kan vi forbedre vår forståelse av hvor disse gravitasjonsbølgene genereres i rommet dramatisk. Men enda viktigere, siden sammenslåing av nøytronstjerner må ha en elektromagnetisk komponent, kan dette bety at gravitasjonsbølgerastronomi og tradisjonell astronomi vil bli brukt sammen for å observere den samme hendelsen i universet!
Spiralvridning og sammenslåing av to nøytronstjerner, som vist her, skulle resultere i et spesifikt gravitasjonsbølgesignal. Dessuten må fusjonsøyeblikket skape elektromagnetisk stråling, unikt og identifiserbart i seg selv.
Vi har allerede gått inn i en ny epoke med astronomi, der vi ikke bare bruker teleskoper, men også interferometre. Vi bruker ikke bare lys, men også gravitasjonsbølger for å se og forstå universet. Hvis en sammenslåing av nøytronstjerner vises i LIGO, selv om det er sjelden, og deteksjonshastigheten er lav, vil vi krysse den neste grensen. Tyngdehimmelen og lyshimmelen vil ikke lenger være fremmed for hverandre. Vi vil være et skritt nærmere å forstå hvordan de mest ekstreme objektene i universet fungerer, og vi vil ha et vindu inn i rommet vårt som ingen noen gang har hatt før.
Ilya Khel
