Martin Rees sanoi kerran:”On käymässä selväksi, että avaruus on tietyssä mielessä ainoa laboratorio, joka luo onnistuneesti ääriolosuhteet testaamaan uusia hiukkasfysiikan ideoita. Ison räjähdyksen energiat olivat paljon korkeammat kuin voimme päästä maan päälle. Joten etsimällä todisteita isosta räjähdyksestä ja tutkimalla asioita, kuten neutronitähdet, opimme tosiasiallisesti fysiikkaa."
Jos yleisen relatiivisuuden ja Newtonin painovoiman välillä on yksi merkittävä ero, se on tämä: Einsteinin teoriassa mikään ei kestä ikuisesti. Vaikka sinulla olisi kaksi ehdottomasti vakaata massaa, jotka kiertävät toisiaan - massat, jotka eivät koskaan palaa, menettäisi materiaalia tai muuttuisi, niiden kiertoradat rapistuvat vähitellen. Ja jos Newtonin painovoimassa kaksi massaa pyörii yhteisen painopisteen ympärille ikuisesti, yleinen suhteellisuusteoria kertoo meille, että pieni määrä energiaa menetetään joka kerta, kun massa kiihtyy painovoimakentällä, jonka läpi se kulkee. Tämä energia ei katoa, vaan kuljetetaan gravitaatioaaltojen muodossa. Tarpeeksi pitkän ajanjakson aikana säteilytetään tarpeeksi energiaa kahden pyörivän massan koskettamiseksi toisiinsa ja sulautuvan. LIGO on havainnut tämän jo kolme kertaa mustilla reikillä. Mutta voi olla aika ottaa seuraava askel ja nähdä ensimmäinen neutronitähtien yhdistyminen, kertoo Ethan Siegel Medium.comista.
Kaikki tämän gravitaation tanssiin kiinni olevat massat lähettävät gravitaatioaaltoja, aiheuttaen kiertoradan häiriintymisen. On kolme syytä, miksi LIGO löysi mustia reikiä:
1. Ne ovat uskomattoman massiivisia
2. Ne ovat maailmankaikkeuden kompaktiimpia esineitä
3. Sulautumisen viimeisellä hetkellä ne kiertyivät oikealla taajuudella, jotta LIGO-laservarret pystyivät kiinnittämään ne
Kaikki tämä yhdessä - suuret massat, lyhyet etäisyydet ja oikea taajuusalue - antavat LIGO-joukkueelle valtavan hakualueen, jolla he voivat houkutella mustien aukkojen sulautumisia. Näiden massiivisten tanssien aallot ulottuvat monille miljardeille valovuosille ja ulottuvat jopa maan päälle.
Mainosvideo:
Vaikka mustissa aukkoissa on oltava lisäyslevy, sähkömagneettiset signaalit, jotka mustien reikien on tarkoitus tuottaa, ovat edelleen vaikeita. Jos ilmiön sähkömagneettinen osa on läsnä, sen on tuotettava neutronitähteillä.
Universumissa on monia muita mielenkiintoisia esineitä, jotka tuottavat suuria painovoima-aaltoja. Supermassiiviset mustat aukot galaksien keskuksissa syövät kaasupilviä, planeettoja, asteroideja ja jopa muita tähtiä ja mustia reikiä koko ajan. Valitettavasti, koska heidän tapahtumahorisontinsa ovat niin valtavat, ne liikkuvat kiertoradalla erittäin hitaasti ja antavat väärän taajuusalueen, jonka LIGO voi havaita. Valkoisilla kääpiöillä, binaaritähteillä ja muilla planeettajärjestelmillä on sama ongelma: nämä esineet ovat fyysisesti liian suuria ja kiertävät siksi liian kauan. Niin kauan, että tarvitsisimme painovoima-aaltojen avaruusseurantakeskuksen nähdäksemme ne. Mutta on myös toinen toivo, jolla on oikea yhdistelmä ominaisuuksia (massa, kompaktius, oikea taajuus), jonka LIGO voi nähdä: sulautuvat neutronitähdet.
Kun kaksi neutronitähtää kiertävät toisiaan, Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennustaa kiertoradan rappeutumista ja gravitaation säteilyä. Sulautumisen viimeisissä vaiheissa - joita ei ole koskaan nähty painovoima-aalloilla - amplitudi on huipussaan ja LIGO pystyy havaitsemaan tapahtuman.
Neutronitähdet eivät ole yhtä massiivisia kuin mustat aukot, mutta ne voivat olla todennäköisesti kaksi-kolme kertaa massiivisemmat kuin aurinko: noin 10-20% aiemmin havaittujen LIGO-tapahtumien massasta. Ne ovat melkein yhtä kompakteja kuin mustia reikiä, ja niiden fyysinen koko on vain kymmenen kilometrin säteellä. Huolimatta siitä, että mustat reiät romahtavat singulaarisuudeksi, niillä on tapahtumahorisontti, ja neutronitähteen fyysinen koko (pohjimmiltaan vain jättiläinen atominen ydin) ei ole paljon suurempi kuin mustan aukon tapahtumahorisontti. Niiden taajuus, etenkin yhdistymisen viimeisissä sekunneissa, on suuri LIGO: n herkkyyden kannalta. Jos tapahtuma tapahtuu oikeassa paikassa, voimme oppia viisi uskomatonta tosiasiaa.
Kahden neutronitähden kiertymisen ja yhdistymisen aikana on vapautettava valtava määrä energiaa, samoin kuin raskaat elementit, painovoima-aallot ja sähkömagneettinen signaali, kuten kuvassa.
Luovatko neutronitähdet todella gammasäteilyä?
On mielenkiintoinen ajatus: että lyhyet gammasäteen purskeet, jotka ovat uskomattoman energisiä, mutta kestävät vähemmän kuin kaksi sekuntia, johtuvat neutronitähteiden yhdistymisestä. Ne johtuvat vanhoista galakseista alueilla, joilla ei synty uusia tähtiä, mikä tarkoittaa, että vain tähtien ruumiit voivat selittää ne. Mutta ennen kuin tiedämme kuinka lyhyen gammasäteen purske näyttää, emme voi olla varmoja siitä, mikä heitä aiheuttaa. Jos LIGO pystyy havaitsemaan neutronitähtien sulautumisen gravitaatioaalloista ja voimme nähdä lyhyen gammasäteen purskeen heti sen jälkeen, tämä on lopullinen vahvistus yhdelle astrofysiikan mielenkiintoisimmista ideoista.
Kaksi sulautuvaa neutronitähteä, kuten tässä on esitetty, pyörivät ja lähettävät gravitaatioaaltoja, mutta niitä on vaikeampi havaita kuin mustia aukkoja. Toisin kuin mustia reikiä, niiden on kuitenkin työnnettävä osa massastaan takaisin universumiin, missä ne osallistuvat sinne raskaiden elementtien muodossa.
Kun neutronitähdet törmäävät, kuinka paljon niiden massasta ei tule mustaa reikää?
Kun katsot jaksollisen pöydän raskaita elementtejä ja ihmettelet kuinka ne syntyivät, supernova tulee mieleen. Loppujen lopuksi tämä tarina on tähtitieteilijöiden hallussa ja on osittain totta. Mutta suurin osa jaksollisen tavan alkuaineista on elohopea, kulta, volframi, lyijy jne. - tosiasiallisesti syntynyt neutronitähtien törmäyksissä. Suurin osa neutronitähtien massasta, luokkaa 90-95%, menee mustan aukon luomiseen keskelle, mutta loput ulkokerrokset heitetään pois, muodostaen suurimman osan näistä elementeistä galaksissamme. On syytä huomata, että jos kahden sulautuvan neutronitähteen yhdistetty massa laskee tietyn kynnyksen alapuolelle, ne muodostavat neutronitähden, ei mustan aukon. Tämä on harvinaista, mutta ei mahdotonta. Ja emme tiedä tarkalleen kuinka paljon massaa heitetään ulos tällaisen tapahtuman aikana. Jos LIGO rekisteröi tällaisen tapahtuman, saamme selville.
Se kuvaa Advanced LIGO -sarjaa ja sen kykyä havaita mustien aukkojen sulautumisia. Yhdistettävät neutronitähdet voivat olla vain kymmenesosan alueella ja niiden tilavuus voi olla 0,1%, mutta jos neutronitähtiä on paljon, LIGO löytää.
Kuinka kaukana LIGO voi nähdä neutronitähteiden yhdistymisen?
Tämä kysymys ei koske itse maailmankaikkeutta, vaan pikemminkin sitä, kuinka herkkä LIGO-malli on. Valon tapauksessa, jos esine on 10 kertaa kauempana, se on 100 kertaa himmeämpi; mutta painovoima-aaltoilla, jos esine on 10 kertaa kauempana, painovoima-aaltosignaali on vain 10 kertaa heikompi. LIGO voi tarkkailla mustia aukkoja monien miljoonien valovuosien päässä, mutta neutronitähdet ovat näkyvissä vain, jos ne yhdistyvät lähellä oleviin galaktiklusteriin. Jos näemme tällaisen sulautumisen, voimme tarkistaa, kuinka hyvä laitteistomme on tai kuinka hyvän sen pitäisi olla.
Kun kaksi neutronitähtää sulautuvat, kuten tässä on esitetty, niiden tulisi luoda gammasäteilysuihkuja, samoin kuin muitakin sähkömagneettisia ilmiöitä, jotka parhaiden observatorioidemme havaitsevat, jos maapallon lähellä on.
Millainen jälkihehku jäljellä neutronitähteiden sulautumisen jälkeen?
Tiedämme joissain tapauksissa, että neutronitähtien törmäyksiä vastaavia vahvoja tapahtumia on jo tapahtunut ja että ne jättävät allekirjoitukset muihin sähkömagneettisille kaistoille. Gammasäteiden lisäksi voi olla ultravioletti-, optisia, infrapuna- tai radiokomponentteja. Tai se voi olla monispektrinen komponentti, joka esiintyy kaikissa viidessä kaistassa, siinä järjestyksessä. Kun LIGO havaitsee neutronitähteiden yhdistymisen, voisimme vangita yhden luonnon yllättävimmistä ilmiöistä.
Vaikka neutronitähti koostuu neutraaleista hiukkasista, se tuottaa voimakkaimmat magneettikentät maailmankaikkeudessa. Kun neutronitähdet sulautuvat, niiden tulisi tuottaa sekä gravitaatioaaltoja että sähkömagneettisia allekirjoituksia.
Ensimmäistä kertaa pystymme yhdistämään painovoima-astronomian perinteiseen
Aikaisemmat LIGO: n vangitsemat tapahtumat olivat vaikuttavia, mutta meillä ei ole ollut mahdollisuutta tarkkailla näitä sulautumisia kaukoputken kautta. Kohdimme väistämättä kaksi tekijää:
- Tapahtumien sijainteja ei voida periaatteessa määrittää tarkasti vain kahdella ilmaisimella
- Mustajen reikien sulautumisissa ei ole kirkasta sähkömagneettista (kevyt) komponenttia
Nyt kun VIRGO toimii synkronoidusti kahden LIGO-ilmaisimen kanssa, voimme parantaa dramaattisesti ymmärrystämme siitä, missä nämä painovoima-aallot syntyvät avaruudessa. Mutta mikä vielä tärkeämpää, koska neutronitähtien yhdistymisessä on oltava sähkömagneettinen komponentti, tämä voi tarkoittaa, että ensimmäistä kertaa gravitaatioaallon tähtitiedettä ja perinteistä tähtitiedettä käytetään yhdessä seuraamaan samaa tapahtumaa maailmankaikkeudessa!
Kahden neutronitähden spiraalin kiertymisen ja yhdistymisen, kuten tässä on esitetty, pitäisi johtaa tietty gravitaatioaaltosignaali. Lisäksi sulamishetken on luotava sähkömagneettinen säteily, ainutlaatuinen ja sinänsä tunnistettavissa.
Olemme jo siirtyneet uuteen tähtitieteen aikakauteen, jossa käytämme paitsi kaukoputkia myös interferometrejä. Käytämme paitsi valoa myös gravitaatioaaltoja nähdäksemme ja ymmärtämään maailmankaikkeutta. Jos LIGOssa esiintyy neutronitähteiden sulautumista, vaikka se olisi harvinaista, ja havaitsemisnopeus on pieni, ylitämme seuraavan rajan. Painovoima taivas taivas taivas eivät enää ole vieraita toisilleen. Meillä on yksi askel lähempänä ymmärtää, miten maailmankaikkeuden äärimmäisimmät esineet toimivat, ja meillä on ikkuna tilaan, jota kukaan ei ole koskaan aiemmin ollut.
Ilja Khel