Martin Rees powiedział kiedyś: „Staje się jasne, że w pewnym sensie przestrzeń kosmiczna jest jedynym laboratorium, które z powodzeniem stwarza ekstremalne warunki do testowania nowych pomysłów z fizyki cząstek elementarnych. Energie Wielkiego Wybuchu były znacznie wyższe, niż możemy osiągnąć na Ziemi. Więc szukając dowodów Wielkiego Wybuchu i badając rzeczy takie jak gwiazdy neutronowe, faktycznie badamy fundamentalną fizykę."
Jeśli istnieje jedna znacząca różnica między ogólną teorią względności a grawitacją Newtona, to jest nią to: w teorii Einsteina nic nie trwa wiecznie. Nawet gdybyś miał dwie absolutnie stabilne masy krążące wokół siebie - masy, które nigdy nie spaliłyby się, nie straciłyby materiału ani nie zmieniłyby się - ich orbity stopniowo zanikałyby. A jeśli w przypadku grawitacji Newtona dwie masy krążą wokół wspólnego środka ciężkości na zawsze, ogólna teoria względności mówi nam, że za każdym razem, gdy masa jest przyspieszana przez pole grawitacyjne, przez które przechodzi, traci się niewielką ilość energii. Ta energia nie znika, ale jest przenoszona w postaci fal grawitacyjnych. Przez wystarczająco długi czas wypromieniowana zostanie wystarczająca ilość energii, aby dwie obracające się masy dotknęły się i połączyły. LIGO zaobserwowało to już trzy razy w przypadku czarnych dziur. Ale może nadszedł czas, aby zrobić następny krok i zobaczyć pierwsze połączenie gwiazd neutronowych, mówi Ethan Siegel z Medium.com.
Wszelkie masy złapane w tym tańcu grawitacyjnym będą emitować fale grawitacyjne, powodując zakłócenie orbity. Istnieją trzy powody, dla których LIGO odkryło czarne dziury:
1. Są niesamowicie masywne
2. Są to najbardziej zwarte obiekty we wszechświecie
3. W ostatnim momencie połączenia obracały się z odpowiednią częstotliwością tak, aby mogły zostać unieruchomione przez ramiona laserowe LIGO
Wszystko to razem - duże masy, krótkie odległości i odpowiedni zakres częstotliwości - dają zespołowi LIGO ogromny obszar poszukiwań, w którym mogą szukać połączeń czarnych dziur. Fale tych masywnych tańców rozciągają się na wiele miliardów lat świetlnych, a nawet docierają do Ziemi.
Film promocyjny:
Chociaż czarne dziury muszą mieć dysk akrecyjny, sygnały elektromagnetyczne, które mają generować czarne dziury, pozostają nieuchwytne. Jeśli elektromagnetyczna część zjawiska jest obecna, musi być wytwarzana przez gwiazdy neutronowe.
Wszechświat ma wiele innych interesujących obiektów, które wytwarzają duże fale grawitacyjne. Supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk przez cały czas zjadają chmury gazu, planety, asteroidy, a nawet inne gwiazdy i czarne dziury. Niestety, ponieważ ich horyzonty zdarzeń są tak ogromne, poruszają się one niezwykle wolno po orbicie i podają niewłaściwy zakres częstotliwości do wykrycia przez LIGO. Białe karły, gwiazdy podwójne i inne układy planetarne mają ten sam problem: obiekty te są fizycznie zbyt duże, a zatem krążą zbyt długo. Tak długo, że potrzebowalibyśmy kosmicznego obserwatorium fal grawitacyjnych, aby je zobaczyć. Ale jest jeszcze jedna nadzieja, która ma właściwą kombinację cech (masa, zwartość, właściwa częstotliwość), którą LIGO zobaczy: łączenie się gwiazd neutronowych.
Gdy dwie gwiazdy neutronowe krążą wokół siebie, ogólna teoria względności Einsteina przewiduje rozpad orbity i promieniowanie grawitacyjne. W końcowych etapach połączenia - czego nigdy nie widziano w falach grawitacyjnych - amplituda osiągnie szczyt i LIGO będzie w stanie wykryć zdarzenie.
Gwiazdy neutronowe nie są tak masywne jak czarne dziury, ale prawdopodobnie mogą być dwa do trzech razy masywniejsze niż Słońce: około 10-20% masy wcześniej wykrytych zdarzeń LIGO. Są prawie tak zwarte jak czarne dziury, a ich fizyczny rozmiar wynosi zaledwie dziesięć kilometrów w promieniu. Pomimo faktu, że czarne dziury zapadają się do osobliwości, mają horyzont zdarzeń, a fizyczny rozmiar gwiazdy neutronowej (w zasadzie tylko gigantycznego jądra atomowego) jest niewiele większy niż horyzont zdarzeń czarnej dziury. Ich częstotliwość, szczególnie w ostatnich kilku sekundach łączenia, jest świetna dla czułości LIGO. Jeśli wydarzenie odbędzie się w odpowiednim miejscu, możemy poznać pięć niesamowitych faktów.
Podczas skręcania spirali i łączenia się dwóch gwiazd neutronowych musi zostać uwolniona ogromna ilość energii, a także ciężkie pierwiastki, fale grawitacyjne i sygnał elektromagnetyczny, jak pokazano na obrazku.
Czy gwiazdy neutronowe naprawdę tworzą rozbłyski gamma?
Jest ciekawy pomysł: krótkie rozbłyski gamma, które są niesamowicie energetyczne, ale trwają krócej niż dwie sekundy, są spowodowane łączeniem się gwiazd neutronowych. Pochodzą ze starych galaktyk w regionach, w których nie rodzą się nowe gwiazdy, co oznacza, że mogą je wyjaśnić tylko ciała gwiazd. Ale dopóki nie dowiemy się, jak pojawia się krótki błysk gamma, nie możemy być pewni, co je powoduje. Jeśli LIGO może wykryć połączenie gwiazd neutronowych z fal grawitacyjnych, a zaraz po tym możemy zobaczyć krótki rozbłysk gamma, będzie to ostateczne potwierdzenie jednego z najciekawszych pomysłów astrofizyki.
Dwie łączące się gwiazdy neutronowe, jak pokazano tutaj, wirują i emitują fale grawitacyjne, ale są trudniejsze do wykrycia niż czarne dziury. Jednak w przeciwieństwie do czarnych dziur, muszą one wyrzucić część swojej masy z powrotem do Wszechświata, gdzie wniesią tam wkład w postaci ciężkich pierwiastków.
Kiedy zderzają się gwiazdy neutronowe, jaka część ich masy nie staje się czarną dziurą?
Kiedy patrzysz na ciężkie pierwiastki w układzie okresowym i zastanawiasz się, jak powstały, na myśl przychodzi supernowa. W końcu ta historia jest utrzymywana przez astronomów i częściowo jest prawdziwa. Ale większość ciężkich pierwiastków w układzie okresowym to rtęć, złoto, wolfram, ołów itp. - faktycznie powstały w zderzeniach gwiazd neutronowych. Większość masy gwiazd neutronowych, rzędu 90-95%, tworzy czarną dziurę w centrum, ale pozostałe warstwy zewnętrzne są wyrzucane, tworząc większość tych pierwiastków w naszej galaktyce. Warto zauważyć, że jeśli łączna masa dwóch łączących się gwiazd neutronowych spadnie poniżej pewnego progu, utworzą one gwiazdę neutronową, a nie czarną dziurę. Jest to rzadkie, ale nie niemożliwe. A nie wiemy dokładnie, ile masy wyrzuca się podczas takiej imprezy. Jeśli LIGO zarejestruje takie zdarzenie, dowiemy się.
Ilustruje zakres zaawansowanego LIGO i jego zdolność do wykrywania połączeń czarnych dziur. Łączące się gwiazdy neutronowe mogą mieścić się tylko w jednej dziesiątej zakresu i mieć 0,1% normalnej objętości, ale jeśli gwiazd neutronowych jest wiele, LIGO to wykryje.
Jak daleko LIGO może zobaczyć łączenie się gwiazd neutronowych?
To pytanie nie dotyczy samego wszechświata, ale raczej wrażliwości konstrukcji LIGO. W przypadku światła, jeśli obiekt znajduje się 10 razy dalej, będzie 100 razy ciemniejszy; ale w przypadku fal grawitacyjnych, jeśli obiekt znajduje się 10 razy dalej, sygnał fali grawitacyjnej będzie tylko 10 razy słabszy. LIGO może obserwować czarne dziury oddalone o wiele milionów lat świetlnych, ale gwiazdy neutronowe będą widoczne tylko wtedy, gdy połączą się w pobliskich gromadach galaktycznych. Jeśli zobaczymy taką fuzję, możemy sprawdzić, jak dobry jest nasz sprzęt lub jaki powinien.
Kiedy dwie gwiazdy neutronowe łączą się, jak pokazano tutaj, powinny tworzyć dżety promieniowania gamma, a także inne zjawiska elektromagnetyczne, które, jeśli Ziemia jest blisko, będą dostrzegalne przez nasze najlepsze obserwatoria.
Jaki rodzaj poświaty pozostaje po połączeniu gwiazd neutronowych?
W niektórych przypadkach wiemy, że silne zdarzenia odpowiadające zderzeniom gwiazd neutronowych już miały miejsce i pozostawiają ślady w innych pasmach elektromagnetycznych. Oprócz promieni gamma mogą występować komponenty ultrafioletowe, optyczne, podczerwone lub radiowe. Albo może to być składnik wielospektralny pojawiający się we wszystkich pięciu pasmach w tej kolejności. Kiedy LIGO wykryje połączenie gwiazd neutronowych, możemy uchwycić jedno z najbardziej zdumiewających zjawisk natury.
Gwiazda neutronowa, choć składa się z neutralnych cząstek, wytwarza najsilniejsze pola magnetyczne we wszechświecie. Kiedy gwiazdy neutronowe się łączą, powinny wytwarzać zarówno fale grawitacyjne, jak i sygnatury elektromagnetyczne.
Po raz pierwszy będziemy mogli połączyć astronomię fal grawitacyjnych z tradycyjną
Poprzednie zdarzenia zarejestrowane przez LIGO były imponujące, ale nie mieliśmy okazji obserwować tych połączeń przez teleskop. Nieuchronnie stanęliśmy przed dwoma czynnikami:
- Zasadniczo nie można precyzyjnie określić położenia zdarzeń za pomocą tylko dwóch detektorów
- Połączenia czarnych dziur nie mają jasnego składnika elektromagnetycznego (światła)
Teraz, gdy VIRGO działa w synchronizacji z dwoma detektorami LIGO, możemy radykalnie poprawić naszą wiedzę o tym, gdzie te fale grawitacyjne są generowane w przestrzeni. Ale co ważniejsze, skoro łączenie się gwiazd neutronowych musi mieć składową elektromagnetyczną, może to oznaczać, że po raz pierwszy astronomia fal grawitacyjnych i tradycyjna astronomia zostaną użyte razem do obserwacji tego samego wydarzenia we wszechświecie!
Skręcenie spirali i połączenie dwóch gwiazd neutronowych, jak pokazano tutaj, powinno skutkować określonym sygnałem fali grawitacyjnej. Ponadto moment fuzji musi wytworzyć promieniowanie elektromagnetyczne, niepowtarzalne i identyfikowalne samo w sobie.
Weszliśmy już w nową erę astronomii, w której używamy nie tylko teleskopów, ale także interferometrów. Używamy nie tylko światła, ale także fal grawitacyjnych, aby zobaczyć i zrozumieć wszechświat. Jeśli w LIGO pojawi się połączenie gwiazd neutronowych, nawet jeśli jest to rzadkie, a wskaźnik wykrywalności jest niski, przekroczymy następną granicę. Niebo grawitacyjne i niebo światła nie będą już sobie obce. Będziemy o krok bliżej zrozumienia, jak działają najbardziej ekstremalne obiekty we Wszechświecie, i będziemy mieli okno na naszą przestrzeń, jakiego nikt wcześniej nie miał.
Ilya Khel
