Martin Rees ütles kord: “On muutumas selgeks, et teatud mõttes pakub kosmos ainsa labori, mis loob edukalt ekstreemsed tingimused, et katsetada osakestefüüsikast uusi ideid. Suure Paugu energiad olid palju kõrgemad, kui me Maa peale jõuame. Nii et otsides tõestusi Suure Paugu kohta ja uurides selliseid asju nagu neutrontähed, uurime tegelikult põhifüüsikat."
Kui üldrelatiivsuse ja Newtoni gravitatsiooni vahel on üks oluline erinevus, siis see on järgmine: Einsteini teoorias ei kesta miski igavesti. Isegi kui teil oleks kaks üksteise ümber tiirlevat absoluutselt stabiilset massi - massid, mis kunagi ei põleks, kaotaks materjali ega muutuks -, siis nende orbiidid lagunevad järk-järgult. Ja kui Newtoni gravitatsioonis keerleb kaks massi igavesti ümber ühise raskuskeskme, siis ütleb üldrelatiivsus, et iga kord, kui massi kiirendab gravitatsiooniväli, mida see läbib, kaob väike kogus energiat. See energia ei kao, vaid kandub gravitatsiooniliste lainete kujul ära. Liiga pika aja jooksul kiirgab piisavalt energiat, et kaks pöörlevat massi üksteisega kokku puutuksid ja sulanduksid. LIGO on seda mustade aukudega juba kolm korda täheldanud. Kuid võib-olla on aeg astuda järgmine samm ja näha esimest neutronitähtede liitmist, ütles Ethan Siegel Medium.com-ist.
Kõik selle gravitatsioonitantsu käigus püütud massid kiirgavad gravitatsioonilaineid, põhjustades orbiidi häireid. LIGO avastas mustad augud kolmel põhjusel:
1. Nad on uskumatult massilised
2. Need on universumi kõige kompaktsemad objektid
3. Ühinemise viimasel hetkel pöörlesid nad õige sagedusega, nii et neid saaks LIGO laserrelvade abil fikseerida
Kõik see koos - suured massid, lühikesed vahemaad ja õige sagedusvahemik - annavad LIGO meeskonnale tohutu otsingupiirkonna, kus nad saavad hakkama musta augu ühinemistega. Nendest massiivsetest tantsudest pärit lained ulatuvad paljude miljardite valgusaastateni ja ulatuvad isegi Maale.
Reklaamvideo:
Ehkki mustadel aukutel peab olema aknekett, jäävad elektromagnetilised signaalid, mida mustad augud peaksid tekitama, raskesti mõistetavaks. Kui nähtuse elektromagnetiline osa on olemas, peavad selle tekitama neutronitähed.
Universumil on palju muid huvitavaid objekte, mis tekitavad suuri gravitatsioonilaineid. Supermassiivsed mustad augud galaktikate keskpunktides söövad kogu aeg gaasipilved, planeedid, asteroidid ja isegi muud tähed ning mustad augud. Kuna nende sündmuste horisond on nii suur, liiguvad nad orbiidil eriti aeglaselt ja annavad LIGO tuvastamiseks vale sagedusvahemiku. Valgetel kääbustel, kahendtähtedel ja muudel planeedisüsteemidel on sama probleem: need objektid on füüsiliselt liiga suured ja seetõttu orbiidil liiga pikad. Nii kaua, et meil oleks nende nägemiseks vaja gravitatsioonilainete kosmosevaatlust. Kuid on veel üks lootus, millel on õige omaduste kombinatsioon (mass, kompaktsus, õige sagedus), mida LIGO peab nägema: neutrontähtede liitmine.
Kuna kaks neutrontähte üksteist tiirlevad, ennustab Einsteini üldine relatiivsusteooria orbitaali lagunemist ja gravitatsioonikiirgust. Ühinemise lõppjärgus - mida gravitatsioonilainetes pole kunagi nähtud - on amplituud haripunktis ja LIGO suudab sündmuse tuvastada.
Neutronitähed pole nii massiivsed kui mustad augud, kuid tõenäoliselt võivad nad olla kaks kuni kolm korda massiivsemad kui Päike: umbes 10-20% varem tuvastatud LIGO sündmuste massist. Need on peaaegu sama kompaktsed kui mustad augud, nende füüsiline suurus on vaid kümne kilomeetri raadiuses. Hoolimata asjaolust, et mustad augud varisevad ainsuseks, on neil sündmushorisont ja neutronitähe (põhimõtteliselt lihtsalt hiiglasliku aatomituuma) füüsikaline suurus ei ole palju suurem kui musta augu sündmushorisont. Nende sagedus, eriti liitmise viimastel sekunditel, on LIGO tundlikkuse jaoks suurepärane. Kui sündmus toimub õiges kohas, saame teada viis uskumatut fakti.
Kahe neutronitähe spiraalse keerdumise ja liitmise ajal tuleb vabastada tohutul hulgal energiat, nagu ka pildil näidatud rasked elemendid, gravitatsioonilained ja elektromagnetiline signaal.
Kas neutronitähed tekitavad tõesti gammakiirguspurskeid?
On huvitav idee: et lühikesed gammakiirguspursked, mis on uskumatult energilised, kuid kestavad vähem kui kaks sekundit, on põhjustatud neutrontähtede liitmisest. Need tulenevad vanadest galaktikatest piirkondades, kus uusi tähti ei sünni, mis tähendab, et neid saavad seletada ainult tähelaibad. Kuid enne, kui me teame, kuidas lühike gammakiir puruneb, ei saa me olla kindlad, mis neid põhjustab. Kui LIGO suudab tuvastada neutronitähtede ühinemise gravitatsioonilainete abil ja kohe pärast seda võime näha lühikest gammakiirguse purunemist, on see astrofüüsika ühe huvitavaima idee lõplik kinnitus.
Kaks ühendatavat neutrontähte, nagu siin näidatud, pöörlevad ja kiirgavad gravitatsioonilaineid, kuid neid on raskem tuvastada kui mustaid auke. Erinevalt mustadest aukudest peavad nad siiski osa massist välja viskama Universumisse, kus nad panustavad sinna raskete elementide kujul.
Kui neutronitähed põrkuvad, siis kui suur osa nende massist ei muutu mustaks auguks?
Kui vaatate perioodilise tabeli raskeid elemente ja imestate, kuidas need tekkisid, tuleb meelde supernoova. Lõppude lõpuks peavad seda lugu astronoomid ja see on osaliselt tõsi. Kuid enamus perioodilise tabeli rasketest elementidest on elavhõbe, kuld, volfram, plii jne. - tegelikult sündinud neutrontähtede kokkupõrgetes. Suurem osa neutronitähtede massist, suurusjärgus 90–95%, läheb keskele musta augu tekitamiseks, kuid ülejäänud väliskihid väljutatakse, moodustades suurema osa neist elementidest meie galaktikas. Väärib märkimist, et kui kahe ühineva neutronitähe kombineeritud mass langeb alla teatud läve, moodustavad nad neutronitähe, mitte musta augu. See on haruldane, kuid mitte võimatu. Ja me ei tea täpselt, kui palju massi sellise sündmuse ajal välja visatakse. Kui LIGO sellise sündmuse registreerib, saame sellest teada.
See illustreerib Advanced LIGO valikut ja selle võimet tuvastada musta augu ühinemisi. Neutronitähtede liitmine võib langeda ainult kümnendiku vahemikku ja nende maht võib olla 0,1%, kuid kui neutronitähti on palju, leiab LIGO.
Kui kaugele saab LIGO näha neutrontähtede liitmist?
See küsimus ei puuduta universumit ennast, vaid pigem seda, kui tundlik on LIGO disain. Kui objekt on kümme korda kaugemal, on see valguse korral tuhmim kui 100 korda; kuid gravitatsioonilainete korral, kui objekt on 10 korda kaugemal, on gravitatsioonilaine signaal ainult 10 korda nõrgem. LIGO võib jälgida mustaid auke miljonite valgusaastate kaugusel, kuid neutronitähed on nähtavad ainult siis, kui nad koonduvad läheduses asuvatesse galaktilistesse klastritesse. Kui näeme sellist ühinemist, saame kontrollida, kui hea on meie riistvara või kui hea see peaks olema.
Kui kaks neutrontähte ühinevad, nagu siin näidatud, peaksid nad looma gammakiirguse düüsid, aga ka muud elektromagnetilised nähtused, mida Maa parimate vaatluskeskuste kaudu on võimalik märgata.
Milline järeltulek jääb alles pärast neutrontähtede ühinemist?
Teame, et mõnel juhul on juba toimunud neutronitähtede kokkupõrkele reageerivad tugevad sündmused ja need jätavad signatuuri teistesse elektromagnetilistesse ribadesse. Lisaks gammakiirgusele võivad esineda ultraviolettkiirguse, optilised, infrapuna- või raadioside komponendid. Või võib see olla multispektriline komponent, mis ilmub kõigis viies sagedusalas, sellises järjekorras. Kui LIGO tuvastab neutrontähtede ühinemise, võiksime tabada looduse ühe jahmatavama nähtuse.
Kuigi neutronitäht koosneb neutraalsetest osakestest, tekitab see universumi tugevaimaid magnetvälju. Neutronitähtede ühinemisel peaksid nad tekitama nii gravitatsioonilaineid kui ka elektromagnetilisi signaale.
Esmakordselt saame gravitatsioonilaine astronoomia ühendada traditsioonilisega
Varasemad sündmused, mille LIGO jäädvustas, olid muljetavaldavad, kuid meil pole olnud võimalust neid ühinemisi teleskoobi abil jälgida. Paratamatult seisime silmitsi kahe teguriga:
- Põhimõtteliselt ei saa sündmuste asukohta täpselt määrata ainult kahe detektoriga
- Mustade aukude ühinemisel puudub särav elektromagnetiline (kerge) komponent
Nüüd, kui VIRGO töötab sünkroonis kahe LIGO detektoriga, saame dramaatiliselt parandada oma arusaamist sellest, kus need gravitatsioonilained ruumis tekivad. Kuid veelgi olulisem on see, et kuna neutronitähtede liitmisel peab olema elektromagnetiline komponent, võib see tähendada, et esimest korda kasutatakse gravitatsioonilise laine astronoomiat ja traditsioonilist astronoomiat koos, et jälgida sama sündmust universumis!
Kahe neutronitähe spiraalne keerdumine ja liitmine, nagu siin näidatud, peaks andma konkreetse gravitatsioonilaine signaali. Samuti peab termotuumasüntees tekitama elektromagnetilise kiirguse, ainulaadse ja iseenesest tuvastatava.
Oleme juba astunud uude astronoomia ajastusse, kus me kasutame mitte ainult teleskoope, vaid ka interferomeetreid. Universumi nägemiseks ja mõistmiseks kasutame mitte ainult valgust, vaid ka gravitatsioonilaineid. Kui LIGO-s ilmub neutronitähtede ühinemine, isegi kui see on haruldane ja avastamisprotsent on madal, ületame järgmise piiri. Gravitatsioonitaevas ja valgustaevas ei ole enam üksteisele võõrad. Me saame ühe sammu lähemale arusaamisele, kuidas Universumi kõige ekstreemsemad objektid toimivad, ja meil on aken meie ruumi, mida kellelgi varem pole olnud.
Ilja Khel
