Martin Rees zei ooit: “Het wordt duidelijk dat de ruimte in zekere zin het enige laboratorium is dat met succes extreme omstandigheden creëert om nieuwe ideeën uit de deeltjesfysica te testen. De energieën van de oerknal waren veel hoger dan we op aarde kunnen bereiken. Dus bij het zoeken naar bewijzen van de oerknal en het bestuderen van zaken als neutronensterren, bestuderen we eigenlijk fundamentele fysica. '
Als er één significant verschil is tussen de algemene relativiteitstheorie en de zwaartekracht van Newton, is het dit: in de theorie van Einstein blijft niets eeuwig bestaan. Zelfs als je twee absoluut stabiele massa's in een baan om elkaar zou hebben - massa's die nooit zouden verbranden, materiaal verliezen of veranderen - zouden hun banen geleidelijk afnemen. En als, in de Newtoniaanse zwaartekracht, twee massa's voor altijd rond een gemeenschappelijk zwaartepunt draaien, vertelt de algemene relativiteitstheorie ons dat er een kleine hoeveelheid energie verloren gaat elke keer dat de massa wordt versneld door het zwaartekrachtsveld waar ze doorheen gaat. Deze energie verdwijnt niet, maar wordt afgevoerd in de vorm van zwaartekrachtgolven. Over voldoende lange tijdsperioden zal voldoende energie worden uitgestraald om de twee roterende massa's elkaar te laten raken en samen te voegen. LIGO heeft dit al drie keer waargenomen bij zwarte gaten. Maar het is misschien tijd om de volgende stap te zetten en de eerste samensmelting van neutronensterren te zien, zegt Ethan Siegel van Medium.com.
Elke massa die in deze zwaartekrachtdans wordt gevangen, zal zwaartekrachtgolven uitzenden, waardoor de baan wordt verstoord. Er zijn drie redenen waarom LIGO zwarte gaten ontdekte:
1. Ze zijn ongelooflijk groot
2. Het zijn de meest compacte objecten in het universum
3. Op het laatste moment van de fusie roteerden ze met de juiste frequentie zodat ze konden worden gefixeerd door de LIGO-laserarmen
Dit alles bij elkaar - grote massa, korte afstanden en het juiste frequentiebereik - geven het LIGO-team een enorm zoekgebied waarin ze kunnen tasten naar fusies van zwarte gaten. De rimpelingen van deze enorme dansen strekken zich uit over vele miljarden lichtjaren en bereiken zelfs de aarde.
Promotie video:
Hoewel zwarte gaten een accretieschijf moeten hebben, blijven de elektromagnetische signalen die zwarte gaten zouden genereren ongrijpbaar. Als het elektromagnetische deel van het fenomeen aanwezig is, moet het worden geproduceerd door neutronensterren.
Het universum heeft veel andere interessante objecten die grote zwaartekrachtgolven produceren. Superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels vreten voortdurend gaswolken, planeten, asteroïden en zelfs andere sterren en zwarte gaten op. Helaas, omdat hun horizon zo enorm is, bewegen ze zich extreem langzaam in een baan om de aarde en geven ze het verkeerde frequentiebereik af dat LIGO kan detecteren. Witte dwergen, dubbelsterren en andere planetenstelsels hebben hetzelfde probleem: deze objecten zijn fysiek te groot en draaien daarom te lang rond. Zo lang dat we een ruimteobservatorium voor zwaartekrachtgolven nodig hebben om ze te zien. Maar er is nog een hoop die de juiste combinatie van kenmerken (massa, compactheid, de juiste frequentie) heeft die LIGO kan zien: samensmeltende neutronensterren.
Aangezien twee neutronensterren om elkaar heen draaien, voorspelt Einsteins algemene relativiteitstheorie orbitaal verval en gravitatiestraling. In de laatste fase van een fusie - die nog nooit is gezien in zwaartekrachtgolven - zal de amplitude zijn hoogtepunt bereiken en zal LIGO de gebeurtenis kunnen detecteren.
Neutronensterren zijn niet zo massief als zwarte gaten, maar ze kunnen waarschijnlijk twee tot drie keer zo zwaar zijn als de zon: ongeveer 10-20% van de massa van eerder gedetecteerde LIGO-gebeurtenissen. Ze zijn bijna net zo compact als zwarte gaten, met een fysieke grootte van slechts tien kilometer in straal. Ondanks het feit dat zwarte gaten instorten tot een singulariteit, hebben ze een waarnemingshorizon en is de fysieke grootte van een neutronenster (eigenlijk gewoon een gigantische atoomkern) niet veel groter dan de waarnemingshorizon van een zwart gat. Hun frequentie, vooral in de laatste paar seconden van het samenvoegen, is geweldig voor de gevoeligheid van de LIGO. Als de gebeurtenis op de juiste plaats plaatsvindt, kunnen we vijf ongelooflijke feiten leren.
Tijdens het spiraalvormig draaien en samensmelten van twee neutronensterren moet een enorme hoeveelheid energie vrijkomen, evenals zware elementen, zwaartekrachtgolven en een elektromagnetisch signaal, zoals op de afbeelding te zien is.
Creëren neutronensterren echt gammaflitsen?
Er is een interessant idee: die korte gammaflitsen, die ongelooflijk energiek zijn maar minder dan twee seconden duren, worden veroorzaakt door samensmeltende neutronensterren. Ze komen voort uit oude sterrenstelsels in gebieden waar geen nieuwe sterren worden geboren, wat betekent dat alleen stellaire lijken ze kunnen verklaren. Maar totdat we weten hoe de korte gammastraaluitbarsting verschijnt, weten we niet zeker wat de oorzaak ervan is. Als LIGO de samensmelting van neutronensterren van zwaartekrachtgolven kan detecteren, en we kunnen onmiddellijk daarna een korte gammastraaluitbarsting zien, dan zal dit de laatste bevestiging zijn van een van de meest interessante ideeën in de astrofysica.
De twee samensmeltende neutronensterren, zoals hier getoond, wervelen en zenden zwaartekrachtgolven uit, maar zijn moeilijker te detecteren dan zwarte gaten. In tegenstelling tot zwarte gaten moeten ze echter een deel van hun massa terug in het universum werpen, waar ze daar zullen bijdragen in de vorm van zware elementen.
Wanneer neutronensterren botsen, hoeveel van hun massa wordt dan geen zwart gat?
Als je naar de zware elementen op het periodiek systeem kijkt en je afvraagt hoe ze zijn ontstaan, komt er een supernova in je op. Dit verhaal wordt tenslotte vastgehouden door astronomen en is gedeeltelijk waar. Maar de meeste zware elementen op het periodiek systeem zijn kwik, goud, wolfraam, lood, enz. - eigenlijk geboren in botsingen van neutronensterren. Het grootste deel van de massa van neutronensterren, in de orde van 90-95%, vormt een zwart gat in het centrum, maar de resterende buitenste lagen worden uitgeworpen en vormen de meeste van deze elementen in onze melkweg. Het is vermeldenswaard dat als de gecombineerde massa van twee samensmeltende neutronensterren onder een bepaalde drempel komt, ze een neutronenster zullen vormen, geen zwart gat. Dit is zeldzaam, maar niet onmogelijk. En we weten niet precies hoeveel massa er tijdens zo'n evenement wordt weggegooid. Als LIGO zo'n evenement registreert, komen we erachter.
Het illustreert het bereik van Advanced LIGO en zijn vermogen om fusies van zwarte gaten te detecteren. Samenvoegende neutronensterren kunnen maar binnen een tiende van het bereik vallen en hebben 0,1% van het gebruikelijke volume, maar als er veel neutronensterren zijn, zal LIGO dit vinden.
Hoe ver kan LIGO het samensmelten van neutronensterren zien?
Deze vraag gaat niet over het universum zelf, maar over hoe gevoelig het LIGO-ontwerp is. In het geval van licht, als het object 10 keer verder weg is, wordt het 100 keer zwakker; maar met zwaartekrachtgolven, als het object 10 keer verder is, zal het zwaartekrachtgolfsignaal slechts 10 keer zwakker zijn. LIGO kan zwarte gaten waarnemen op vele miljoenen lichtjaren afstand, maar neutronensterren zullen alleen zichtbaar zijn als ze samensmelten in nabijgelegen galactische clusters. Als we zo'n fusie zien, kunnen we kijken hoe goed onze hardware is, of hoe goed deze zou moeten zijn.
Wanneer twee neutronensterren samenkomen, zoals hier getoond, zouden ze gammastraaljets moeten creëren, evenals andere elektromagnetische verschijnselen die, als de aarde dichtbij is, waarneembaar zullen zijn door onze beste observatoria.
Wat voor soort nagloed blijft er over na een fusie van neutronensterren?
We weten dat in sommige gevallen al sterke gebeurtenissen hebben plaatsgevonden die overeenkomen met botsingen van neutronensterren en dat ze handtekeningen achterlaten in andere elektromagnetische banden. Naast gammastraling kunnen er ultraviolette, optische, infrarode of radiocomponenten zijn. Of het kan een multispectrale component zijn die in die volgorde in alle vijf de banden voorkomt. Wanneer LIGO een samensmelting van neutronensterren detecteert, kunnen we een van de meest verbazingwekkende verschijnselen van de natuur vastleggen.
Een neutronenster, hoewel samengesteld uit neutrale deeltjes, produceert de sterkste magnetische velden in het universum. Wanneer neutronensterren samensmelten, zouden ze zowel zwaartekrachtgolven als elektromagnetische handtekeningen moeten produceren.
Voor het eerst zullen we gravitatiegolf-astronomie kunnen combineren met traditionele
Eerdere gebeurtenissen die door LIGO werden vastgelegd waren indrukwekkend, maar we hebben niet de gelegenheid gehad om deze versmeltingen door een telescoop te observeren. We werden onvermijdelijk geconfronteerd met twee factoren:
- De posities van gebeurtenissen kunnen in principe niet precies worden bepaald met slechts twee detectoren
- Fusies van zwarte gaten hebben geen heldere elektromagnetische (licht) component
Nu VIRGO synchroon werkt met twee LIGO-detectoren, kunnen we ons begrip van waar deze zwaartekrachtgolven in de ruimte worden gegenereerd drastisch verbeteren. Maar wat nog belangrijker is, aangezien de versmelting van neutronensterren een elektromagnetische component moet hebben, zou dit kunnen betekenen dat voor het eerst gravitatiegolfastronomie en traditionele astronomie samen zullen worden gebruikt om dezelfde gebeurtenis in het universum te observeren!
De spiraalvormige draaiing en samensmelting van twee neutronensterren, zoals hier getoond, zou moeten resulteren in een soortelijk zwaartekrachtgolfsignaal. Ook moet het moment van fusie elektromagnetische straling creëren, uniek en identificeerbaar op zichzelf.
We zijn al een nieuw tijdperk van astronomie ingegaan, waar we niet alleen telescopen gebruiken, maar ook interferometers. We gebruiken niet alleen licht, maar ook zwaartekrachtgolven om het universum te zien en te begrijpen. Als een fusie van neutronensterren in LIGO verschijnt, zelfs als dit zeldzaam is, en de detectiesnelheid laag is, zullen we de volgende grens overschrijden. De zwaartekrachtlucht en de lucht van licht zullen niet langer vreemden voor elkaar zijn. We zullen een stap dichterbij zijn om te begrijpen hoe de meest extreme objecten in het universum werken, en we zullen een venster in onze ruimte hebben dat nog nooit iemand heeft gehad.
Ilya Khel
