Martin Rees sa en gång:”Det blir tydligt att rymden på ett sätt är det enda laboratoriet som framgångsrikt skapar extrema förhållanden för att testa nya idéer från partikelfysik. Big Bangs energier var mycket högre än vi kan nå på jorden. Så när vi letar efter bevis för Big Bang och studerar saker som neutronstjärnor studerar vi faktiskt grundläggande fysik."
Om det finns en betydande skillnad mellan allmän relativitet och Newtonian gravitation, är det denna: i Einsteins teori varar ingenting för evigt. Även om du hade två absolut stabila massor som kretsar runt varandra - massor som aldrig skulle brinna upp, förlora material eller ändra - skulle deras banor gradvis förfalla. Och om, i Newtonian gravitation, två massor kretsar kring ett gemensamt tyngdpunkt för alltid, berättar generell relativitet att en liten mängd energi går förlorad varje gång massan accelereras av det tyngdfält genom vilket den passerar. Denna energi försvinner inte utan bärs i form av gravitationsvågor. Under tillräckligt långa tidsperioder utstrålas tillräckligt med energi för att de två roterande massorna kan röra varandra och smälta samman. LIGO har redan observerat detta tre gånger med svarta hål. Men det kan vara dags att ta nästa steg och se den första sammanslagningen av neutronstjärnor, säger Ethan Siegel från Medium.com.
Alla massor som fångas i denna gravitationsdans kommer att avge gravitationsvågor, vilket orsakar att banan störs. Det finns tre skäl till varför LIGO upptäckte svarta hål:
1. De är oerhört massiva
2. De är de mest kompakta föremålen i universum
3. I det sista ögonblicket av fusionen roterade de med rätt frekvens så att de kunde fixeras med LIGO-laserarmarna
Allt detta tillsammans - stora massor, korta avstånd och rätt frekvensområde - ger LIGO-teamet ett enormt sökområde där de kan tappa efter sammanslagningar av svarthål. Krusningarna från dessa massiva danser sträcker sig i många miljarder ljusår och når även jorden.
Kampanjvideo:
Även om svarta hål måste ha en ackretionsskiva förblir de elektromagnetiska signalerna som svarta hål genererar förbli svårfångade. Om den elektromagnetiska delen av fenomenet är närvarande måste den produceras av neutronstjärnor.
Universumet har många andra intressanta föremål som producerar stora gravitationsvågor. Supermassiva svarta hål i centrum av galaxer äter upp gasmoln, planeter, asteroider och till och med andra stjärnor och svarta hål hela tiden. Tyvärr, eftersom deras händelseshorisont är så enorma, de rör sig extremt långsamt i bana och ger ut fel frekvensområde för LIGO att upptäcka. Vita dvärgar, binära stjärnor och andra planetariska system har samma problem: dessa objekt är fysiskt för stora och går därför för långt. Så länge att vi skulle behöva ett rymdobservatorium för gravitationsvågor för att se dem. Men det finns ett annat hopp som har rätt kombination av egenskaper (massa, kompakthet, rätt frekvens) som kan ses av LIGO: sammanslagning av neutronstjärnor.
När två neutronstjärnor går runt varandra förutspår Einsteins allmänna relativitetsteori orbital förfall och gravitationsstrålning. I de sista stadierna av en sammanslagning - som aldrig har sett i gravitationsvågor - kommer amplituden att vara på topp och LIGO kommer att kunna upptäcka händelsen.
Neutronstjärnor är inte så massiva som svarta hål, men de kan antagligen vara två till tre gånger mer massiva än solen: cirka 10-20% av massan av tidigare upptäckta LIGO-händelser. De är nästan lika kompakta som svarta hål, med en fysisk storlek på bara tio kilometer i radie. Trots det faktum att svarta hål kollapsar till en singularitet, har de en händelseshorisont, och den fysiska storleken på en neutronstjärna (i princip bara en gigantisk atomkärna) är inte mycket större än händelseshorisonten för ett svart hål. Deras frekvens, särskilt under de senaste sekunderna av sammanslagningen, är bra för LIGOs känslighet. Om händelsen sker på rätt plats kan vi lära oss fem otroliga fakta.
Under spiralvridning och sammanslagning av två neutronstjärnor måste en enorm mängd energi släppas, såväl som tunga element, gravitationsvågor och en elektromagnetisk signal, som visas på bilden.
Skapar neutronstjärnor verkligen gammastrålar?
Det finns en intressant idé: att korta gammastrålar, som är oerhört energiska men som håller mindre än två sekunder, orsakas av sammanslagning av neutronstjärnor. De härrör från gamla galaxer i regioner där inga nya stjärnor föds, vilket innebär att endast stjärnkroppar kan förklara dem. Men tills vi vet hur den korta gammastrålningen brister, kan vi inte vara säker på vad som orsakar dem. Om LIGO kan upptäcka sammanslagningen av neutronstjärnor från gravitationella vågor, och vi kan se en kort gammastråle brista omedelbart efter det, kommer det att bli den slutliga bekräftelsen av en av de mest intressanta idéerna inom astrofysik.
De två sammanslagna neutronstjärnorna, som visas här, virvlar och avger gravitationella vågor, men är svårare att upptäcka än svarta hål. Till skillnad från svarta hål måste de emellertid mata ut en del av sin massa tillbaka till universumet, där de kommer att bidra där i form av tunga element.
När neutronstjärnor kolliderar, hur mycket av deras massa blir inte ett svart hål?
När du tittar på de tunga elementen på det periodiska bordet och undrar hur de blev, kommer en supernova att tänka på. När allt kommer omkring, är denna berättelse innehas av astronomer och är delvis sant. Men de flesta av de tunga elementen på det periodiska bordet är kvicksilver, guld, volfram, bly, etc. - faktiskt född i kollisioner av neutronstjärnor. Det mesta av massan av neutronstjärnor, i storleksordningen 90-95%, går till att skapa ett svart hål i mitten, men de återstående yttre skikten matas ut och bildar de flesta av dessa element i vår galax. Det är värt att notera att om den kombinerade massan av två sammanslagna neutronstjärnor faller under en viss tröskel, kommer de att bilda en neutronstjärna, inte ett svart hål. Detta är sällsynt, men inte omöjligt. Och vi vet inte exakt hur mycket massa som kastas ut under en sådan händelse. Om LIGO registrerar en sådan händelse kommer vi ta reda på det.
Det illustrerar utbudet av avancerad LIGO och dess förmåga att upptäcka sammanslagningar av svart hål. Sammanfogande neutronstjärnor kan bara falla inom en tiondel av intervallet och har 0,1% av den vanliga volymen, men om det finns många neutronstjärnor kommer LIGO att hitta.
Hur långt kan LIGO se sammanslagningen av neutronstjärnor?
Denna fråga handlar inte om själva universum utan snarare om hur känslig LIGO-designen är. I fallet med ljus, om objektet är 10 gånger längre bort, kommer det att vara 100 gånger ljusare; men med gravitationsvågor, om objektet är 10 gånger längre, kommer gravitationsvågsignalen bara att vara tio gånger svagare. LIGO kan observera svarta hål många miljoner ljusår bort, men neutronstjärnor kommer bara att vara synliga om de sammanfaller i närliggande galaktiska kluster. Om vi ser en sådan sammanslagning kan vi kontrollera hur bra vår hårdvara är, eller hur bra den ska vara.
När två neutronstjärnor smälter samman, som visas här, borde de skapa gammastrålar, liksom andra elektromagnetiska fenomen som, om Jorden är nära, kommer att urskiljas av våra bästa observatorier.
Vilken typ av efterglöd återstår efter en sammanslagning av neutronstjärnor?
Vi vet i vissa fall att starka händelser som motsvarar kollisioner av neutronstjärnor redan har inträffat och att de lämnar signaturer i andra elektromagnetiska band. Förutom gammastrålar kan det finnas ultravioletta, optiska, infraröda eller radiokomponenter. Eller det kan vara en multispektral komponent som visas i alla fem band, i den ordningen. När LIGO upptäcker en sammanslagning av neutronstjärnor kan vi fånga ett av naturens mest häpnadsväckande fenomen.
En neutronstjärna, även om den består av neutrala partiklar, producerar de starkaste magnetfälten i universum. När neutronstjärnor slås samman bör de producera både gravitationsvågor och elektromagnetiska signaturer.
För första gången kommer vi att kunna kombinera gravitationsvågastronomi med traditionell
Tidigare händelser som fångats av LIGO var imponerande, men vi har inte haft möjlighet att observera dessa sammanslagningar genom ett teleskop. Vi står oundvikligen inför två faktorer:
- Händelsernas positioner kan inte i princip fastställas med endast två detektorer
- Sammanslagningar av svarta hål har inte en ljus elektromagnetisk (ljus) komponent
Nu när VIRGO arbetar synkroniserat med två LIGO-detektorer kan vi dramatiskt förbättra vår förståelse för var dessa gravitationsvågor genereras i rymden. Men ännu viktigare, eftersom sammanslagningen av neutronstjärnor måste ha en elektromagnetisk komponent, kan detta innebära att gravitationsvågastronomi och traditionell astronomi tillsammans kommer att användas för att observera samma händelse i universum!
Spiralvridning och sammanslagning av två neutronstjärnor, som visas här, bör resultera i en specifik gravitationsvågsignal. Dessutom måste fusionens ögonblick skapa elektromagnetisk strålning, unik och identifierbar i sig.
Vi har redan gått in i en ny era av astronomi, där vi inte bara använder teleskop utan också interferometrar. Vi använder inte bara ljus utan också gravitationsvågor för att se och förstå universum. Om en sammanslagning av neutronstjärnor visas i LIGO, även om det är sällsynt, och detekteringsgraden är låg, kommer vi att korsa nästa gräns. Gravitationshimlen och ljusens himmel kommer inte längre att vara främlingar för varandra. Vi kommer att vara ett steg närmare förståelsen av hur de mest extrema föremålen i universum fungerar, och vi kommer att ha ett fönster in i vårt rymd som ingen annan någonsin har haft förut.
Ilya Khel
