Zmarszczki w czasoprzestrzeni spowodowane śmiercią masywnych wirujących gwiazd mogą znajdować się w granicach wykrywalności projektów takich jak LIGO i Panna.
Kolapsary, zapadające się pozostałości masywnych gwiazd, mogą powodować wykrywalne zjawiska fale grawitacyjne– wynika z nowych symulacji. Fale te, utworzone przez materię wirującą spiralnie w czarne dziury, mogą zapewnić wgląd w wewnętrzne działanie gwiazd i czarnych dziur, chociaż ich identyfikacja pozostaje wyzwaniem.
Fale grawitacyjne ze śmierci gwiazd
Śmierć masywnej, szybko wirującej gwiazdy może wstrząsnąć wszechświatem. Jak wynika z nowych badań opublikowanych 22 sierpnia w czasopiśmie „Ziemskie instrumenty”, powstałe zmarszczki – zwane falami grawitacyjnymi – mogą być odczuwalne przez instrumenty na Ziemi. The Listy do dzienników astrofizycznych. Te nowe źródła fal grawitacyjnych tylko czekają na odkrycie – przewidują naukowcy odpowiedzialni za badania.
Fale grawitacyjne pojawiają się po gwałtownej śmierci szybko rotujących gwiazd o masie od 15 do 20 mas Słońca. Po wyczerpaniu się paliwa gwiazdy te implodują, a następnie eksplodują w zjawisku zwanym kolapsarem. To pozostawia po sobie a czarna dziura otoczona dużym dyskiem resztek materiału, który szybko wiruje w paszczę czarnej dziury. Spirala materii – która trwa zaledwie kilka minut – jest tak wielka, że zniekształca przestrzeń wokół niej, tworząc fale grawitacyjne podróżujące po wszechświecie.
Symulacja pokazująca rozkład materii wokół nowonarodzonej czarnej dziury po zdarzeniu kolapsarowym. Cieplejsze kolory oznaczają większą gęstość materii. Źródło: Ore Gottlieb
Symulacja wykrywania fal grawitacyjnych
Korzystając z najnowocześniejszych symulacji, naukowcy ustalili, że te fale grawitacyjne można wykryć za pomocą instrumentów takich jak Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO), które w 2015 r. dokonało pierwszych bezpośrednich obserwacji fal grawitacyjnych powstających z łączenia się czarnych dziur. fale napędzane kolapsarami pomogłyby naukowcom zrozumieć tajemnicze wewnętrzne działanie kolapsarów i czarnych dziur.
„Obecnie jedyne źródła fal grawitacyjnych, które wykryliśmy, pochodzą z połączenia dwóch zwartych obiektów — gwiazd neutronowych lub czarnych dziur” – mówi kierownik badania Ore Gottlieb, pracownik naukowy w Centrum Astrofizyki Obliczeniowej (CCA) Instytutu Flatiron w New Miasto York. „Jedno z najciekawszych pytań w tej dziedzinie brzmi: jakie są potencjalne źródła niezwiązane z połączeniem, które mogą wytwarzać fale grawitacyjne, które możemy wykryć za pomocą obecnych urządzeń? Jedną z obiecujących odpowiedzi są teraz collapsars.
Wykrywalne fale grawitacyjne z kolapsów
Gottlieb, wraz z wizytującym badaczem z CCA i profesorem z Kolumbii Yurim Levinem oraz profesorem Uniwersytetu w Tel Awiwie Amirem Levinsonem, symulowali warunki – w tym pola magnetyczne i tempo chłodzenia – występujące po zapadnięciu się masywnej rotującej gwiazdy. Symulacje wykazały, że kolapsary mogą wytwarzać fale grawitacyjne na tyle silne, że są widoczne z odległości około 50 milionów lat świetlnych. Odległość ta wynosi mniej niż jedną dziesiątą wykrywalnego zasięgu silniejszych fal grawitacyjnych powstających w wyniku łączenia się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych, choć nadal jest silniejsza niż jakiekolwiek dotychczas symulowane zdarzenie niezwiązane z połączeniem.
Nieoczekiwane odkrycia we wzorach fal grawitacyjnych
Nowe odkrycia są zaskoczeniem, mówi Gottlieb. Naukowcy sądzili, że chaotyczne zapadnięcie się spowoduje powstanie mieszaniny fal, którą trudno będzie dostrzec wśród szumu tła Wszechświata. Pomyśl o rozgrzewce orkiestry. Kiedy każdy muzyk gra własne nuty, rozróżnienie melodii pochodzącej z pojedynczego fletu lub tuby może być trudne. Z drugiej strony fale grawitacyjne powstające w wyniku połączenia dwóch obiektów tworzą wyraźne, silne sygnały niczym grająca wspólnie orkiestra. Dzieje się tak dlatego, że kiedy dwa zwarte obiekty mają się połączyć, tańczą po ciasnej orbicie, która przy każdym obrocie wytwarza fale grawitacyjne. Ten rytm niemal identycznych fal wzmacnia sygnał do poziomu, który można wykryć. Nowe symulacje wykazały, że obracające się dyski wokół kolapsarów mogą również emitować fale grawitacyjne, które wzmacniają się razem, podobnie jak krążące na orbicie zwarte obiekty podczas fuzji.
Siła fal napędzanych kolapsarem
„Myślałem, że sygnał będzie znacznie bardziej chaotyczny, ponieważ dysk to ciągła dystrybucja gazu z materią wirującą po różnych orbitach” – mówi Gottlieb. „Odkryliśmy, że fale grawitacyjne z tych dysków są emitowane spójnie i są również dość silne”.
Nie tylko przewidywany sygnał z dysków kolapsarowych jest wystarczająco silny, aby mógł zostać wykryty przez LIGO, ale obliczenia Gottlieba sugerują, że kilka zdarzeń może już znajdować się w istniejących zbiorach danych. Proponowane detektory fal grawitacyjnych, takie jak Cosmic Explorer i Einstein Telescope, mogłyby wykryć dziesiątki fal rocznie.
Strategie wykrywania zdarzeń kolapsarowych
Społeczność fal grawitacyjnych jest już zainteresowana poszukiwaniem tych zdarzeń, choć nie jest to łatwe zadanie. W nowej pracy obliczono sygnatury fal grawitacyjnych dla skromnej liczby potencjalnych zdarzeń kolapsarowych. Gwiazdy charakteryzują się jednak szerokim zakresem profili mas i rotacji, co może powodować różnice w obliczonych sygnałach fal grawitacyjnych.
„W zasadzie idealnie symulowalibyśmy 1 milion kolapsarów, aby móc stworzyć ogólny szablon, ale niestety są to bardzo kosztowne symulacje” – mówi Gottlieb. „Więc na razie musimy wybrać inne strategie”.
Naukowcy mogą przeglądać dane historyczne, aby sprawdzić, czy jakiekolwiek zdarzenia są podobne do tego, które symulował Gottlieb. Biorąc jednak pod uwagę różnorodność gwiazd, z których każda ma potencjalnie unikalny sygnał, znalezienie dopasowania dla jednego z symulowanych sygnałów jest prawdopodobnie mało prawdopodobne. Inna strategia polega na wykorzystaniu innych sygnałów z bliskich wydarzeń kolapsarowych – takich jak supernowe lub rozbłyski gamma emitowane podczas zapadnięcia się gwiazdy – a następnie przeszukanie archiwów danych w celu sprawdzenia, czy w tym obszarze nieba wykryto jakieś fale grawitacyjne. w tym samym czasie.
Implikacje dla zrozumienia czarnych dziur
Wykrywanie fal grawitacyjnych generowanych przez kolapsar pomogłoby naukowcom lepiej zrozumieć wewnętrzną strukturę gwiazdy po zapadnięciu się, a także umożliwiłoby im poznanie właściwości czarnych dziur – a są to dwa tematy, które pozostają słabo poznane.
„Są to rzeczy, których w przeciwnym razie nie moglibyśmy wykryć” – mówi Gottlieb. „Jedynym sposobem na badanie wewnętrznych obszarów gwiazd wokół czarnej dziury są fale grawitacyjne.”
Odniesienie: „W oczach LIGO? Energiczne spójne fale grawitacyjne z chłodzonych dysków kolapsarowych” Ore Gottlieba, Amira Levinsona i Yuri Levina, 22 sierpnia 2024 r., Listy z dziennika astrofizycznego.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad697c
