Martin Rees je nekoč dejal: „Jasno je, da je prostor v nekem smislu edini laboratorij, ki uspešno ustvarja ekstremne pogoje za preizkušanje novih idej iz fizike delcev. Energije velikega poka so bile veliko višje, kot jih lahko dosežemo na Zemlji. Torej, ko iščemo dokaze o velikem udaru in preučujemo stvari, kot so nevtronske zvezde, pravzaprav preučujemo temeljno fiziko."
Če obstaja ena pomembna razlika med splošno relativnostjo in newtonsko gravitacijo, je to: v Einsteinovi teoriji nič ne traja večno. Tudi če bi imeli orbiti dve popolnoma stabilni masi - mase, ki nikoli ne bi zgorele, izgubile materiala ali se spremenile - bi njihove orbite postopoma propadale. In če se v newtonski gravitaciji dve masi za vedno vrti okoli skupnega težišča, nam splošna relativnost sporoča, da se vsakič, ko se masa pospeši z gravitacijskim poljem, skozi katero gre, izgubi majhna količina energije. Ta energija ne izgine, temveč se odnese v obliki gravitacijskih valov. V dovolj dolgih časovnih obdobjih bo sevalo dovolj energije, da se dve vrtljivi masi dotakneta in združita. LIGO je to opazil že trikrat s črnimi luknjami. Morda pa je čas, da naredimo naslednji korak in vidimo prvo spajanje nevtronskih zvezd, pravi Ethan Siegel iz Medium.com.
Vsaka masa, ujeta v tem gravitacijskem plesu, bo oddajala gravitacijske valove, zaradi česar bo orbita motena. Obstajajo trije razlogi, zakaj je LIGO odkril črne luknje:
1. So neverjetno množični
2. So najbolj kompaktni predmeti v vesolju
3. V zadnjem trenutku združitve so se vrteli s pravilno frekvenco, tako da so jih lahko pritrdile laserske ročice LIGO
Vse to skupaj - velike mase, kratke razdalje in pravi frekvenčni razpon - ekipi LIGO nudijo ogromno iskalno območje, na katerem se lahko potegujejo za združitve črnih lukenj. Valovanja teh množičnih plesov segajo več milijard svetlobnih let in celo dosežejo Zemljo.
Promocijski video:
Čeprav morajo imeti črne luknje diskrecijski disk, elektromagnetni signali, ki naj bi jih ustvarile, ostanejo nedostopne. Če je elektromagnetni del pojava prisoten, ga morajo proizvajati nevtronske zvezde.
Vesolje ima še veliko drugih zanimivih predmetov, ki proizvajajo velike gravitacijske valove. Supermasivne črne luknje v središčih galaksij ves čas pojedo plinske oblake, planete, asteroide in celo druge zvezde in črne luknje. Na žalost, ker je njihovo obzorje dogodkov tako ogromno, se gibljejo zelo počasi po orbiti in oddajajo napačno frekvenčno območje, da ga LIGO zazna. Beli palčki, binarne zvezde in drugi planetarni sistemi imajo isti problem: ti predmeti so fizično preveliki in zato predolgo krožijo. Tako dolgo, da bi potrebovali vesoljski observatorij gravitacijskih valov, da bi jih videli. Obstaja pa še eno upanje, ki ima pravo kombinacijo lastnosti (masa, kompaktnost, prava frekvenca), ki jo bo videl LIGO: spajanje nevtronskih zvezd.
Ker dve nevtronski zvezdi krožita med seboj, Einsteinova splošna teorija relativnosti predvideva razpad orbite in gravitacijsko sevanje. V končnih fazah združitve - česar v gravitacijskih valovih še nikoli nismo videli - bo amplituda na vrhuncu in LIGO bo lahko zaznal dogodek.
Nevtronske zvezde niso tako masivne kot črne luknje, verjetno pa so lahko dva do trikrat bolj masivne od Sonca: približno 10-20% mase prej zaznanih LIGO dogodkov. So skoraj tako kompaktne kot črne luknje, v velikosti polmera so le deset kilometrov. Kljub dejstvu, da se črne luknje zrušijo do singularnosti, imajo horizont dogodkov, fizična velikost nevtronske zvezde (v bistvu le velikansko atomsko jedro) pa ni veliko večja od obzorja dogodka črne luknje. Njihova frekvenca, zlasti v zadnjih nekaj sekundah združitve, je odlična za občutljivost LIGO. Če se dogodek zgodi na pravem mestu, lahko izvemo pet neverjetnih dejstev.
Med spiralnim zvijanjem in spajanjem dveh nevtronskih zvezd je treba sprostiti ogromno energije, pa tudi težke elemente, gravitacijske valove in elektromagnetni signal, kot je prikazano na sliki.
Ali nevtronske zvezde res ustvarjajo razpoke gama žarkov?
Obstaja zanimiva ideja: da kratki gama žarki, ki so neverjetno energični, vendar trajajo manj kot dve sekundi, nastanejo zaradi združevanja nevtronskih zvezd. Izvirajo iz starih galaksij v regijah, kjer se ne rodijo nove zvezde, kar pomeni, da jih lahko razložijo samo zvezdni trupli. Toda dokler ne vemo, kako se pojavlja kratki gama žarki, ne moremo biti prepričani, kaj jih povzroča. Če LIGO lahko zazna združitev nevtronskih zvezd iz gravitacijskih valov in bomo takoj po tem videli kratki gama žarki, bo to končna potrditev ene najzanimivejših idej v astrofiziki.
Kot sta prikazani dve zvezdi nevtronskih zvezd, se vrtinčijo in oddajajo gravitacijske valove, vendar jih je težje zaznati kot črne luknje. Vendar morajo, za razliko od črnih lukenj, nekaj svoje mase vrniti nazaj v vesolje, kjer bodo tam prispevali v obliki težkih elementov.
Ko se nevtronske zvezde trčijo, koliko njihove mase ne postane črna luknja?
Ko pogledate težke elemente periodične tabele in se sprašujete, kako so nastali, vam pride na pamet supernova. Konec koncev to zgodbo držijo astronomi in je deloma resnično. Toda večina težkih elementov na periodični mizi je živo srebro, zlato, volfram, svinec itd. - dejansko rojeni v trčenju nevtronskih zvezd. Večina mase nevtronskih zvezd v vrstnem redu 90-95% gre ustvariti črno luknjo v središču, preostale zunanje plasti pa se izvržejo in tvorijo večino teh elementov v naši galaksiji. Omeniti velja, da če združena masa dveh nevtronskih zvezd, ki se združujeta, pod določenim pragom, tvorita nevtronsko zvezdo in ne črno luknjo. To je redko, ni pa nemogoče. In ne vemo natančno, koliko maše je vrženo med takim dogodkom. Če LIGO registrira tak dogodek, bomo ugotovili.
Ponazarja paleto naprednega LIGO in njegovo sposobnost zaznavanja združitev črnih lukenj. Združene nevtronske zvezde lahko spadajo le v deseto območje in imajo 0,1% običajne prostornine, če pa je veliko nevtronskih zvezd, bo LIGO našel.
Kako daleč lahko LIGO vidi spajanje nevtronskih zvezd?
To vprašanje ne gre za vesolje samo, temveč za to, kako občutljiv je dizajn LIGO. Če gre za objekt 10 krat dlje, bo 100-krat bolj zatemnjen; če pa je objekt 10-krat dlje, bo gravitacijski valovni signal le 10-krat šibkejši. LIGO lahko opazuje črne luknje več milijonov svetlobnih let, vendar bodo nevtronske zvezde vidne le, če se združijo v bližnjih galaktičnih grozdih. Če vidimo takšno združitev, lahko preverimo, kako dobra je naša strojna oprema ali kako dobra bi morala biti.
Ko se dve nevtronski zvezdi združita, kot je prikazano tukaj, bi morali ustvariti gama-žarke, pa tudi druge elektromagnetne pojave, ki jih bodo, če je Zemlja blizu, opazili naši najboljši opazovalniki.
Kakšen naknadni sij ostane po združitvi nevtronskih zvezd?
Vemo, da se v nekaterih primerih že zgodijo močni dogodki, ki ustrezajo trkom nevtronskih zvezd in da puščajo podpise v drugih elektromagnetnih pasovih. Poleg gama žarkov so lahko tudi ultravijolične, optične, infrardeče ali radijske komponente. Lahko pa gre za večspektralno komponento, ki se pojavlja v vseh petih pasovih, v tem zaporedju. Ko LIGO zazna združitev nevtronskih zvezd, bi lahko ujeli enega najbolj osupljivih pojavov v naravi.
Nevtronska zvezda, čeprav sestavljena iz nevtralnih delcev, proizvaja najmočnejša magnetna polja v vesolju. Ko se nevtronske zvezde združijo, bi morale ustvariti gravitacijske valove in elektromagnetne podpise.
Prvič bomo lahko gravitacijsko-valovno astronomijo kombinirali s tradicionalno
Prejšnji dogodki, ki jih je zajel LIGO, so bili navdušujoči, vendar teh združitev nismo imeli priložnost opazovati s teleskopom. Neizogibno smo se soočili z dvema dejavnikoma:
- Načeloma položaja dogodkov ni mogoče natančno določiti samo z dvema detektorjema
- Združitve črnih lukenj nimajo svetle elektromagnetne (lahke) komponente
Zdaj, ko VIRGO deluje v sinhronizaciji z dvema LIGO detektorjema, lahko bistveno izboljšamo svoje razumevanje, kje v gravitaciji nastajajo ta gravitacijska valovanja. Še pomembneje pa je, da mora imeti združitev nevtronskih zvezd elektromagnetno komponento, da bo prvič gravitacijsko valovno astronomijo in tradicionalno astronomijo uporabljeno za opazovanje istega dogodka v vesolju!
Spiralno zvijanje in spajanje dveh nevtronskih zvezd, kot je prikazano tukaj, naj bi povzročilo specifični signal gravitacijskega vala. Prav tako mora trenutek zlitja ustvariti elektromagnetno sevanje, edinstveno in prepoznavno samo po sebi.
Že smo vstopili v novo dobo astronomije, kjer uporabljamo ne le teleskope, temveč tudi interferometre. Za gledanje in razumevanje vesolja ne uporabljamo samo svetlobe, ampak tudi gravitacijske valove. Če se v LIGO pojavi združitev nevtronskih zvezd, tudi če je redka, stopnja zaznave pa nizka, bomo prestopili naslednjo mejo. Gravitacijsko nebo in nebo svetlobe ne bosta več drug drugemu. Korak bomo bližje razumevanju, kako delujejo najbolj ekstremni predmeti v Vesolju in imeli bomo okno v naš prostor, ki ga še nihče ni imel.
Ilya Khel