Martin Rees jednou řekl: „Je jasné, že v jistém smyslu poskytuje prostor jedinou laboratoř, která úspěšně vytváří extrémní podmínky pro testování nových myšlenek z fyziky částic. Energie Velkého třesku byly mnohem vyšší, než kolik můžeme dosáhnout na Zemi. Takže při hledání důkazů o Velkém třesku a studiu věcí, jako jsou neutronové hvězdy, vlastně studujeme základní fyziku. “
Pokud existuje jeden významný rozdíl mezi obecnou relativitou a newtonovskou gravitací, je to takto: v Einsteinově teorii nic netrvá věčně. I kdybyste měli dvě zcela stabilní masy obíhající navzájem - masy, které by nikdy nespálily, neztratily materiál nebo nezměnily - jejich dráhy by se postupně rozpadaly. A pokud se v newtonovské gravitaci navždy otočí dvě hmoty kolem společného těžiště, obecná relativita nám říká, že malé množství energie je ztraceno pokaždé, když je hmota zrychlena gravitačním polem, kterým prochází. Tato energie nezmizí, ale je odváděna ve formě gravitačních vln. Během dostatečně dlouhých časových období bude vyzařováno dost energie, aby se obě rotující hmoty navzájem dotkly a sloučily. LIGO to již třikrát pozoroval s černými dírami. Ale možná je čas udělat další krok a vidět první sloučení neutronových hvězd, říká Ethan Siegel ze společnosti Medium.com.
Jakékoli masy zachycené v tomto gravitačním tanci budou emitovat gravitační vlny, což způsobí narušení orbity. Existují tři důvody, proč LIGO objevil černé díry:
1. Jsou neuvěřitelně masivní
2. Jsou to nejkompaktnější objekty ve vesmíru
3. V poslední chvíli fúze rotovaly správnou frekvencí, aby mohly být fixovány laserovými rameny LIGO
To vše společně - velké hmotnosti, krátké vzdálenosti a správný kmitočtový rozsah - poskytují týmu LIGO obrovskou oblast hledání, ve které mohou toužit po fúzích černých děr. Vlny z těchto masivních tanců sahají po mnoho miliard světelných let a dokonce dosahují Země.
Propagační video:
Ačkoli černé díry musí mít akreční disk, elektromagnetické signály, které mají černé díry vytvářet, zůstávají nepolapitelné. Pokud je přítomna elektromagnetická část jevu, musí být produkována neutronovými hvězdami.
Vesmír má mnoho dalších zajímavých objektů, které produkují velké gravitační vlny. Supermasivní černé díry v centrech galaxií pohlcují neustále plynové mraky, planety, asteroidy a dokonce i jiné hvězdy a černé díry. Bohužel, protože jejich horizonty událostí jsou tak obrovské, pohybují se extrémně pomalu na oběžné dráze a rozdávají nesprávný kmitočtový rozsah pro detekci LIGO. Bílé trpaslíky, binární hvězdy a jiné planetární systémy mají stejný problém: tyto objekty jsou fyzicky příliš velké, a proto obíhají příliš dlouho. Tak dlouho, že budeme potřebovat vesmírnou observatoř gravitačních vln, abychom je mohli vidět. Existuje však další naděje, která má správnou kombinaci charakteristik (hmotnost, kompaktnost, správná frekvence), aby je viděl LIGO: sloučení neutronových hvězd.
Jak se dvě neutronové hvězdy obíhají, Einsteinova obecná teorie relativity předpovídá orbitální rozpad a gravitační záření. V závěrečných fázích fúze - která nikdy nebyla vidět v gravitačních vlnách - bude amplituda na svém vrcholu a LIGO bude moci událost detekovat.
Neutronové hvězdy nejsou tak masivní jako černé díry, ale pravděpodobně mohou být dvakrát až třikrát hmotnější než Slunce: asi 10-20% hmotnosti dříve detekovaných událostí LIGO. Jsou téměř stejně kompaktní jako černé díry a jejich fyzická velikost je pouze deset kilometrů. Navzdory skutečnosti, že černé díry se zhroutí do singularity, mají horizont událostí a fyzická velikost neutronové hvězdy (v podstatě jen obří atomové jádro) není o moc větší než horizont událostí černé díry. Jejich frekvence, zejména v posledních několika sekundách sloučení, je skvělá pro citlivost LIGO. Pokud se událost stane na správném místě, můžeme se naučit pět neuvěřitelných faktů.
Během spirálového kroucení a slučování dvou neutronových hvězd musí být uvolněno obrovské množství energie, stejně jako těžké prvky, gravitační vlny a elektromagnetický signál, jak je znázorněno na obrázku.
Opravdu neutronové hvězdy skutečně vytvoří záblesky gama paprsků?
Existuje zajímavá myšlenka: že krátké záblesky gama záření, které jsou neuvěřitelně energické, ale trvají méně než dvě sekundy, jsou způsobeny sloučením neutronových hvězd. Pocházejí ze starých galaxií v oblastech, kde se rodí žádné nové hvězdy, což znamená, že je mohou vysvětlit pouze hvězdné mrtvoly. Ale dokud nebudeme vědět, jak se objeví krátký záblesk gama paprsků, nemůžeme si být jisti, co je způsobuje. Pokud LIGO dokáže detekovat sloučení neutronových hvězd z gravitačních vln a hned poté uvidíme prasknutí gama paprsku, bude to konečné potvrzení jednoho z nejzajímavějších nápadů v astrofyzice.
Dvě slučující se neutronové hvězdy, jak je ukázáno zde, se točí a vydávají gravitační vlny, ale je obtížnější je detekovat než černé díry. Na rozdíl od černých děr však musí vypustit část své hmoty zpět do vesmíru, kde tam přispějí ve formě těžkých prvků.
Když se srazí neutronové hvězdy, kolik z jejich hmoty se nestane černou dírou?
Když se podíváte na těžké prvky v periodické tabulce a přemýšlíte, jak vznikly, přichází na mysl supernova. Koneckonců, tento příběh drží astronomové a je částečně pravdivý. Ale většina těžkých prvků v periodické tabulce je rtuť, zlato, wolfram, olovo atd. - skutečně narozený ve srážkách neutronových hvězd. Většina hmoty neutronových hvězd, řádově 90-95%, jde do středu k vytvoření černé díry, ale zbývající vnější vrstvy jsou vypuzeny a tvoří většinu těchto prvků v naší galaxii. Stojí za zmínku, že pokud kombinovaná hmotnost dvou slučujících se neutronových hvězd klesne pod určitý práh, vytvoří neutronovou hvězdu, ne černou díru. To je vzácné, ale ne nemožné. A nevíme přesně, kolik hmoty je během takové události vyhozeno. Pokud LIGO zaregistruje takovou událost, zjistíme to.
Ukazuje rozsah Advanced LIGO a jeho schopnost detekovat fúze černých děr. Sloučení neutronových hvězd může spadat pouze do jedné desetiny rozsahu a mít 0,1% obvyklého objemu, ale pokud existuje mnoho neutronových hvězd, LIGO najde.
Jak daleko může LIGO vidět sloučení neutronových hvězd?
Tato otázka se netýká samotného vesmíru, ale spíše toho, jak citlivý je design LIGO. V případě světla, pokud je objekt 10krát dále, bude stonásobně stmíván; ale s gravitačními vlnami, pokud je objekt 10krát dále, bude signál gravitační vlny pouze 10krát slabší. LIGO dokáže pozorovat černé díry ve vzdálenosti mnoha milionů světelných let, ale neutronové hvězdy budou viditelné pouze tehdy, pokud se zhlukují v blízkých galaktických shlucích. Pokud takové sloučení uvidíme, můžeme zkontrolovat, jak dobrý je náš hardware nebo jak dobrý by měl být.
Když se sloučí dvě neutronové hvězdy, jak je ukázáno zde, měly by vytvořit paprsky gama, jakož i další elektromagnetické jevy, které, pokud bude Země blízko, budou naše nejlepší observatoře rozeznatelné.
Jaký druh dosvitu zůstává po sloučení neutronových hvězd?
Víme, že v některých případech již došlo k silným událostem odpovídajícím srážkám neutronových hvězd a že zanechávají podpisy v jiných elektromagnetických pásmech. Kromě gama paprsků mohou existovat ultrafialové, optické, infračervené nebo rádiové komponenty. Nebo to může být multispektrální složka, která se objeví ve všech pěti pásmech, v tomto pořadí. Když LIGO detekuje sloučení neutronových hvězd, můžeme zachytit jeden z nejúžasnějších jevů přírody.
Neutronová hvězda, i když je složena z neutrálních částic, produkuje nejsilnější magnetická pole ve vesmíru. Když se neutronové hvězdy spojí, měly by produkovat gravitační vlny i elektromagnetické podpisy.
Poprvé budeme moci kombinovat gravitační vlnovou astronomii s tradičními
Předchozí události zachycené LIGO byly působivé, ale neměli jsme příležitost pozorovat tyto fúze dalekohledem. Nevyhnutelně jsme čelili dvěma faktorům:
- Pozice událostí nelze v zásadě přesně určit pouze se dvěma detektory
- Fúze černých děr nemají jasnou elektromagnetickou (světelnou) složku
Nyní, když VIRGO pracuje synchronně se dvěma detektory LIGO, můžeme výrazně zlepšit naše chápání toho, kde jsou tyto gravitační vlny generovány ve vesmíru. Ale co je důležitější, protože sloučení neutronových hvězd musí mít elektromagnetickou složku, mohlo by to znamenat, že poprvé budou astronomie gravitační vlny a tradiční astronomie použity společně k pozorování stejné události ve vesmíru!
Spirálové kroucení a sloučení dvou neutronových hvězd, jak je ukázáno zde, by mělo vést ke specifickému signálu gravitační vlny. Okamžik sloučení musí také vytvořit elektromagnetické záření, jedinečné a identifikovatelné samo o sobě.
Už jsme vstoupili do nové éry astronomie, kde používáme nejen dalekohledy, ale také interferometry. K vidění a porozumění vesmíru používáme nejen světlo, ale také gravitační vlny. Pokud se v LIGO objeví sloučení neutronových hvězd, i když je to vzácné a rychlost detekce je nízká, překročíme další hranici. Gravitační nebe a obloha světla už nebudou vůči sobě cizí. Budeme o krok blíže k pochopení toho, jak fungují nejextrémnější objekty ve vesmíru, a do našeho prostoru budeme mít okno, které nikdo jiný nikdy neměl.
Ilya Khel