Martin Rees raz povedal: „Je zrejmé, že v istom zmysle poskytuje priestor jediné laboratórium, ktoré úspešne vytvára extrémne podmienky na testovanie nových nápadov z fyziky častíc. Energie Veľkého tresku boli oveľa vyššie, ako môžeme dosiahnuť na Zemi. Takže pri hľadaní dôkazov o Veľkom tresku a štúdiu vecí, ako sú neutrónové hviezdy, skutočne študujeme základnú fyziku. ““
Ak existuje významný rozdiel medzi všeobecnou relativitou a newtonovskou gravitáciou, je to tak: v Einsteinovej teórii netrvá večnosť nikdy. Aj keby ste mali obe absolútne stabilné masy obiehajúce okolo seba - masy, ktoré by nikdy nespálili, nestratili alebo nezmenili - ich dráhy by sa postupne rozpadali. A ak sa v newtonovskej gravitácii navždy otáčajú dve masy okolo spoločného ťažiska, všeobecná relativita nám hovorí, že malé množstvo energie sa stráca zakaždým, keď sa hmota zrýchli gravitačným poľom, cez ktoré prechádza. Táto energia nezmizne, ale je prenášaná vo forme gravitačných vĺn. Počas dostatočne dlhých časových období bude vyžarované dostatočné množstvo energie, aby sa obe rotujúce hmoty mohli navzájom dotýkať a zlúčiť. LIGO to už pozorovalo trikrát s čiernymi dierami. Ale môže byť čas urobiť ďalší krok a vidieť prvé zlúčenie neutrónových hviezd, hovorí Ethan Siegel zo spoločnosti Medium.com.
Akékoľvek masy zachytené v tomto gravitačnom tanci budú emitovať gravitačné vlny, ktoré spôsobia prerušenie obežnej dráhy. Existujú tri dôvody, prečo LIGO objavil čierne diery:
1. Sú neuveriteľne masívne
2. Sú to najkompaktnejšie objekty vo vesmíre
3. V poslednom okamihu zlúčenia rotovali správnou frekvenciou, aby sa dali fixovať laserovými ramenami LIGO.
To všetko spolu - veľké hmotnosti, krátke vzdialenosti a správny frekvenčný rozsah - poskytujú tímu LIGO obrovskú oblasť hľadania, v ktorej môžu túžiť po fúziách čiernych dier. Vlny z týchto masívnych tancov siahajú po mnoho miliárd svetelných rokov a dokonca dosahujú Zem.
Propagačné video:
Hoci čierne diery musia mať akrečný disk, elektromagnetické signály, ktoré by čierne diery mali vytvárať, zostávajú nepolapiteľné. Ak je prítomná elektromagnetická časť tohto fenoménu, musí byť produkovaná neutrónovými hviezdami.
Vesmír má mnoho ďalších zaujímavých predmetov, ktoré produkujú veľké gravitačné vlny. Supermasívne čierne diery v centrách galaxií pohlcujú neustále plynové oblaky, planéty, asteroidy a dokonca aj ďalšie hviezdy a čierne diery. Bohužiaľ, pretože ich horizonty udalostí sú také obrovské, pohybujú sa extrémne pomaly na obežnej dráhe a rozdávajú nesprávny frekvenčný rozsah na detekciu LIGO. Bieli trpaslíci, dvojhviezdy a iné planétové systémy majú rovnaký problém: tieto objekty sú fyzicky príliš veľké, a preto obiehajú príliš dlho. Pokiaľ budeme potrebovať vesmírne observatórium gravitačných vĺn, aby sme ich videli. Existuje však ďalšia nádej, ktorá má tú správnu kombináciu charakteristík (hmotnosť, kompaktnosť, správna frekvencia), ktorú vidí LIGO: zlúčenie neutrónových hviezd.
Keď sa dve neutrónové hviezdy obiehajú, Einsteinova všeobecná teória relativity predpovedá orbitálny rozpad a gravitačné žiarenie. V záverečných fázach zlúčenia, ktoré sa nikdy v gravitačných vlnách nevidelo, bude amplitúda na svojom vrchole a LIGO bude môcť túto udalosť zistiť.
Neutrónové hviezdy nie sú také masívne ako čierne diery, ale pravdepodobne môžu byť dvakrát až trikrát hmotnejšie ako Slnko: približne 10 - 20% hmotnosti predtým zistených udalostí LIGO. Sú takmer rovnako kompaktné ako čierne diery s fyzickou veľkosťou iba 10 kilometrov. Napriek tomu, že sa čierne diery zrútia do jedinečnosti, majú horizont udalostí a fyzikálna veľkosť neutrónovej hviezdy (v podstate len veľké atómové jadro) nie je o moc väčšia ako horizont udalostí čiernej diery. Ich frekvencia, najmä v posledných niekoľkých sekundách zlúčenia, je vynikajúca pre citlivosť LIGO. Ak sa udalosť stane na správnom mieste, môžeme sa dozvedieť päť neuveriteľných skutočností.
Počas špirálového skrúcania a spájania dvoch neutrónových hviezd sa musí uvoľniť obrovské množstvo energie, ako aj ťažké prvky, gravitačné vlny a elektromagnetický signál, ako je to znázornené na obrázku.
Skutočne vytvárajú neutrónové hviezdy zhluky gama žiarenia?
Existuje zaujímavá myšlienka: krátke gama lúče, ktoré sú neuveriteľne energické, ale trvajú menej ako dve sekundy, sú spôsobené zlúčením neutrónových hviezd. Pochádzajú zo starých galaxií v oblastiach, kde sa nenarodia žiadne nové hviezdy, čo znamená, že ich môžu vysvetliť iba hviezdne mŕtvoly. Ale kým nevieme, ako sa objaví prasknutie gama lúča, nemôžeme si byť istí, čo ich spôsobuje. Ak LIGO dokáže zistiť fúziu neutrónových hviezd z gravitačných vĺn a hneď potom uvidíme prasknutie gama žiarenia, bude to konečné potvrdenie jedného z najzaujímavejších nápadov v astrofyzike.
Dve zlučujúce sa neutrónové hviezdy, ako je tu znázornené, krúžia a vydávajú gravitačné vlny, ale je ťažšie ich odhaliť ako čierne diery. Na rozdiel od čiernych dier však musia vyhodiť časť svojej hmoty späť do vesmíru, kde tam prispejú vo forme ťažkých prvkov.
Keď sa neutrónové hviezdy zrazia, koľko z ich hmoty sa nestane čiernou dierou?
Keď sa pozriete na ťažké prvky v periodickej tabuľke a pýtate sa, ako sa stali, objaví sa supernova. Koniec koncov, tento príbeh drží astronómovia a je čiastočne pravdivý. Ale väčšina ťažkých prvkov v periodickej tabuľke je ortuť, zlato, volfrám, olovo atď. - sa skutočne narodili v zrážkach s neutrónovými hviezdami. Väčšina hmoty neutrónových hviezd, rádovo 90 - 95%, vytvára v strede čiernu dieru, ale zostávajúce vonkajšie vrstvy sa vypudzujú a tvoria väčšinu týchto prvkov v našej galaxii. Stojí za zmienku, že ak kombinovaná hmotnosť dvoch zlúčených neutrónových hviezd klesne pod určitú hranicu, vytvoria neutrónovú hviezdu, nie čiernu dieru. To je zriedkavé, ale nie nemožné. A presne nevieme, koľko hmoty sa počas takejto udalosti vyhodí. Ak LIGO zaregistruje takúto udalosť, zistíme to.
Ilustruje rozsah Advanced LIGO a jeho schopnosť detekovať fúzie čiernych dier. Zlúčené neutrónové hviezdy môžu spadať iba do jednej desatiny rozsahu a môžu mať 0,1% zvyčajného objemu, ale ak existuje veľa neutrónových hviezd, LIGO nájde.
Ako ďaleko môže LIGO vidieť zlúčenie neutrónových hviezd?
Táto otázka sa netýka samotného vesmíru, ale skôr citlivosti dizajnu LIGO. Ak je objekt vzdialený 10-krát ďalej, bude stlmený; ale s gravitačnými vlnami, ak je objekt 10-krát ďalej, signál gravitačnej vlny bude iba 10-krát slabší. LIGO môže pozorovať čierne diery vo vzdialenosti mnohých miliónov svetelných rokov, ale neutrónové hviezdy budú viditeľné iba vtedy, ak sa zhlukujú v blízkych galaktických zhlukoch. Ak dôjde k takémuto zlúčeniu, môžeme skontrolovať, aký dobrý je náš hardvér alebo aký by mal byť.
Keď sa zlúčia dve neutrónové hviezdy, ako je to tu znázornené, mali by vytvoriť trysky gama lúčov, ako aj ďalšie elektromagnetické javy, ktoré, ak bude Zem blízko, budú rozpoznateľné našimi najlepšími observatóriami.
Aký druh dosvitu zostáva po zlúčení neutrónových hviezd?
Vieme, že v niektorých prípadoch už došlo k silným udalostiam zodpovedajúcim zrážkam neutrónových hviezd a že zanechávajú podpisy v iných elektromagnetických pásmach. Okrem gama lúčov môžu existovať ultrafialové, optické, infračervené alebo rádiové komponenty. Alebo to môže byť multispektrálna zložka, ktorá sa objaví vo všetkých piatich pásmach v tomto poradí. Keď LIGO zistí zlúčenie neutrónových hviezd, mohli by sme zachytiť jeden z najúžasnejších javov prírody.
Neutrónová hviezda, hoci je zložená z neutrálnych častíc, vytvára najsilnejšie magnetické pole vo vesmíre. Keď sa neutrónové hviezdy zlúčia, mali by vytvárať gravitačné vlny aj elektromagnetické podpisy.
Prvýkrát budeme môcť kombinovať gravitačnú vlnu s tradičnou
Predchádzajúce udalosti zachytené spoločnosťou LIGO boli pôsobivé, ale nemali sme príležitosť pozorovať tieto zlúčenia pomocou ďalekohľadu. Nevyhnutne sme sa stretli s dvoma faktormi:
- Poloha udalostí sa nedá presne určiť iba pomocou dvoch detektorov
- Fúzie čiernych dier neobsahujú jasnú elektromagnetickú (svetlú) zložku
Teraz, keď VIRGO pracuje v synchronizácii s dvoma detektormi LIGO, môžeme výrazne zlepšiť naše chápanie toho, kde sa tieto gravitačné vlny generujú vo vesmíre. Ale čo je dôležitejšie, pretože zlúčenie neutrónových hviezd musí mať elektromagnetickú zložku, mohlo by to znamenať, že po prvýkrát sa astronómia gravitačnej vlny a tradičná astronómia budú spoločne používať na pozorovanie tej istej udalosti vo vesmíre!
Ako je to tu znázornené, špirálové skrútenie a zlúčenie dvoch neutrónových hviezd by malo vyústiť do špecifického signálu gravitačnej vlny. Okamžik fúzie musí tiež vytvoriť elektromagnetické žiarenie, jedinečné a identifikovateľné samo o sebe.
Už sme vstúpili do novej éry astronómie, kde používame nielen ďalekohľady, ale aj interferometre. Používame nielen svetlo, ale aj gravitačné vlny, aby sme videli a pochopili vesmír. Ak sa v LIGO objaví zlúčenie neutrónových hviezd, aj keď je to zriedkavé a miera detekcie je nízka, prekročíme nasledujúcu hranicu. Gravitačná obloha a obloha svetla už nebudú medzi sebou cudzie. Budeme o krok bližšie k pochopeniu toho, ako fungujú najextrémnejšie objekty vo vesmíre, a do nášho priestoru budeme mať okno, ktoré nikto predtým nemal.
Ilja Khel