Martin Rees sagde engang:”Det bliver tydeligt, at rummet på en måde giver det eneste laboratorium, der med succes skaber ekstreme betingelser for at teste nye ideer fra partikelfysik. Big Bangs energier var meget højere, end vi kan nå på Jorden. Så når vi leder efter bevis for Big Bang og studerer ting som neutronstjerner, studerer vi faktisk grundlæggende fysik."
Hvis der er en signifikant forskel mellem generel relativitet og Newtonsk tyngdekraft, er det denne: I Einsteins teori varer intet for evigt. Selv hvis du havde to fuldstændigt stabile masser, der kredsede om hinanden - masser, der aldrig ville brænde op, miste materiale eller ændre sig - ville deres baner gradvist forfalde. Og hvis to masser i Newtonian gravitation drejer sig om et fælles tyngdepunkt for evigt, fortæller den generelle relativitet, at en lille mængde energi går tabt, hver gang massen accelereres af det tyngdefelt, gennem hvilket det passerer. Denne energi forsvinder ikke, men transporteres i form af tyngdebølger. Over tilstrækkeligt lange perioder udstråles der nok energi til, at de to roterende masser kan berøre hinanden og smelte sammen. LIGO har allerede observeret dette tre gange med sorte huller. Men det kan være tid til at tage det næste skridt og se den første fusion af neutronstjerner, siger Ethan Siegel fra Medium.com.
Enhver masse, der er fanget i denne gravitationsdans, udsender gravitationsbølger, hvilket medfører, at bane forstyrres. Der er tre grunde til, at LIGO opdagede sorte huller:
1. De er utroligt massive
2. De er de mest kompakte objekter i universet
3. I det sidste øjeblik af fusionen drejede de med den rigtige frekvens, så de kunne fastgøres af LIGO laserarme
Alt dette sammen - store masser, korte afstande og det rigtige frekvensområde - giver LIGO-teamet et stort søgeområde, hvor de kan gribe efter fusioner i sort hul. Krusningerne fra disse massive danse strækker sig i mange milliarder lysår og når endda Jorden.
Salgsfremmende video:
Selvom sorte huller skal have en akkretionsskive, forbliver de elektromagnetiske signaler, som sorte huller skal generere, undvigende. Hvis den elektromagnetiske del af fænomenet er til stede, skal det produceres af neutronstjerner.
Universet har mange andre interessante genstande, der producerer store gravitationsbølger. Supermassive sorte huller i centrum af galakser spiser gasskyer, planeter, asteroider og endda andre stjerner og sorte huller hele tiden. Fordi deres begivenhedshorisonter er så store, bevæger de sig desværre ekstremt langsomt i kredsløb og giver det forkerte frekvensområde, som LIGO kan registrere. Hvide dværge, binære stjerner og andre planetariske systemer har det samme problem: Disse objekter er fysisk for store og krediterer derfor for længe. Så længe, at vi har brug for et rumobservatorium for tyngdepunktbølger for at se dem. Men der er endnu et håb, der har den rigtige kombination af egenskaber (masse, kompakthed, den rigtige frekvens), der skal ses af LIGO: fusionering af neutronstjerner.
Idet to neutronstjerner kredser om hinanden, forudsiger Einsteins generelle relativitetsteori orbital forfald og gravitationsstråling. I de sidste faser af en fusion - som aldrig er blevet set i tyngdepunktbølger - vil amplituden være på sit højeste, og LIGO vil være i stand til at registrere hændelsen.
Neutronstjerner er ikke så massive som sorte huller, men de kan sandsynligvis være to til tre gange mere massive end Solen: ca. 10-20% af massen af tidligere opdagede LIGO-begivenheder. De er næsten lige så kompakte som sorte huller med en fysisk størrelse på kun ti kilometer i radius. På trods af det faktum, at sorte huller kollapser til en enestående, har de en begivenhedshorisont, og den fysiske størrelse af en neutronstjerne (stort set bare en kæmpe atomkerne) er ikke meget større end begivenhedshorisonten for et sort hul. Deres frekvens, især i de sidste sekunder af fusionen, er stor for LIGO's følsomhed. Hvis begivenheden finder sted på det rigtige sted, kan vi lære fem utrolige fakta.
Under spiralvridning og sammenlægning af to neutronstjerner skal der frigives en enorm mængde energi såvel som tunge elementer, tyngdekraftsbølger og et elektromagnetisk signal, som vist på billedet.
Skaber neutronstjerner virkelig gamma-ray bursts?
Der er en interessant idé: at korte gammastråler, der er utroligt energiske, men varer mindre end to sekunder, er forårsaget af fusionering af neutronstjerner. De stammer fra gamle galakser i regioner, hvor ingen nye stjerner fødes, hvilket betyder, at kun stjernekroppe kan forklare dem. Men indtil vi ved, hvordan den korte gammastråle burst ser ud, kan vi ikke være sikker på, hvad der forårsager dem. Hvis LIGO kan registrere fusionen mellem neutronstjerner fra tyngdebølger, og vi kan se en kort gammastråle briste umiddelbart efter det, vil det være den endelige bekræftelse af en af de mest interessante ideer inden for astrofysik.
De to sammenføjede neutronstjerner hvirver og udsender gravitationsbølger, som vist her, men er vanskeligere at opdage end sorte huller. I modsætning til sorte huller, skal de imidlertid skubbe noget af deres masse ud i universet, hvor de vil bidrage der i form af tunge elementer.
Hvor meget af deres masse bliver ikke til et sort hul, når neutronstjerner kolliderer?
Når man ser på de tunge elementer på det periodiske bord og undrer sig over, hvordan de blev til, kommer en supernova op i tankerne. Når alt kommer til alt er denne historie besiddet af astronomer og er delvis sand. Men de fleste af de tunge elementer på det periodiske bord er kviksølv, guld, wolfram, bly osv. - faktisk født i kollisioner med neutronstjerner. Det meste af massen af neutronstjerner, i størrelsesordenen 90-95%, skaber et sort hul i midten, men de resterende ydre lag skubbes ud og danner de fleste af disse elementer i vores galakse. Det er værd at bemærke, at hvis den samlede masse af to fusionerende neutronstjerner falder under en bestemt tærskel, vil de danne en neutronstjerne, ikke et sort hul. Dette er sjældent, men ikke umuligt. Og vi ved ikke nøjagtigt, hvor meget masse der bliver smidt ud under en sådan begivenhed. Hvis LIGO registrerer en sådan begivenhed, finder vi ud af det.
Det illustrerer rækkevidden til Advanced LIGO og dens evne til at registrere fusioner med sorte huler. Fusionerende neutronstjerner kan kun falde inden for en tiendedel af intervallet og have 0,1% af det sædvanlige volumen, men hvis der er mange neutronstjerner, finder LIGO det.
Hvor langt kan LIGO se sammenlægningen af neutronstjerner?
Dette spørgsmål handler ikke om selve universet, men snarere om, hvor følsomt LIGO-designet er. I tilfælde af lys, hvis objektet er 10 gange længere væk, vil det være 100 gange svagere; men med gravitationsbølger, hvis objektet er 10 gange længere, vil gravitationsbølgesignalet kun være 10 gange svagere. LIGO kan observere sorte huller mange millioner lysår væk, men neutronstjerner vil kun være synlige, hvis de samles sammen i nærliggende galaktiske klynger. Hvis vi ser en sådan fusion, kan vi kontrollere, hvor god vores hardware er, eller hvor god den skal være.
Når to neutronstjerner smelter sammen, som vist her, bør de skabe gamma-stråler, såvel som andre elektromagnetiske fænomener, som, hvis Jorden er tæt, kan ses af vores bedste observatorier.
Hvilken slags efterglødning er tilbage efter en fusion af neutronstjerner?
Vi ved, i nogle tilfælde, at stærke begivenheder, der svarer til kollisioner med neutronstjerner, allerede har fundet sted, og at de efterlader underskrifter i andre elektromagnetiske bånd. Ud over gammastråler kan der være ultraviolette, optiske, infrarøde eller radiokomponenter. Eller det kan være en multispektral komponent, der vises i alle fem bånd, i den rækkefølge. Når LIGO opdager en fusion af neutronstjerner, kunne vi fange et af naturens mest forbløffende fænomener.
Selv om en neutronstjerne er sammensat af neutrale partikler, producerer de stærkeste magnetiske felter i universet. Når neutronstjerner smelter sammen, skal de producere både tyngdekraftsbølger og elektromagnetiske signaturer.
For første gang vil vi være i stand til at kombinere gravitationsbølge-astronomi med traditionel
Tidligere begivenheder, der blev fanget af LIGO, var imponerende, men vi har ikke haft mulighed for at observere disse fusioner gennem et teleskop. Vi står uundgåeligt over for to faktorer:
- Begivenhedernes position kan i princippet ikke bestemmes nøjagtigt med kun to detektorer
- Fusioner af sorte huller har ikke en lys elektromagnetisk (lys) komponent
Nu hvor VIRGO fungerer synkroniseret med to LIGO-detektorer, kan vi forbedre vores forståelse af nøjagtigt, hvor disse gravitationsbølger genereres i rummet. Men endnu vigtigere, da fusionen af neutronstjerner skal have en elektromagnetisk komponent, kan dette betyde, at gravitationsbølge-astronomi og traditionel astronomi vil blive brugt sammen til at observere den samme begivenhed i universet!
Spiralvridning og sammenlægning af to neutronstjerner, som vist her, skulle resultere i et specifikt tyngdekraftsbølgesignal. Fusionens øjeblik skal også skabe elektromagnetisk stråling, unik og identificerbar i sig selv.
Vi er allerede gået ind i en ny æra med astronomi, hvor vi ikke kun bruger teleskoper, men også interferometre. Vi bruger ikke kun lys, men også tyngdekraftsbølger til at se og forstå universet. Hvis der vises en fusion af neutronstjerner i LIGO, selvom det er sjældent, og detekteringshastigheden er lav, vil vi krydse den næste grænse. Tyngdehimmlen og lyshimlen vil ikke længere være fremmed for hinanden. Vi vil være et skridt tættere på at forstå, hvordan de mest ekstreme objekter i universet fungerer, og vi vil have et vindue ind i vores rum, som ingen nogensinde har haft før.
Ilya Khel