Chociaż astrofizycy teoretycznie powinni być w stanie wykryć fale grawitacyjne z jednego, niebinarnego źródła, muszą jeszcze odkryć te nieuchwytne sygnały. Teraz badacze sugerują przyjrzenie się nowemu, nieoczekiwanemu i całkowicie niezbadanemu miejscu: burzliwym, energetycznym kokonom gruzu, które otaczają umierające masywne gwiazdy.
Teraz naukowcy z Northwestern University sugerują przyjrzenie się nowemu, nieoczekiwanemu i całkowicie niezbadanemu miejscu: burzliwym, energetycznym kokonom gruzu, które otaczają umierające masywne gwiazdy.
Po raz pierwszy naukowcy wykorzystali najnowocześniejsze symulacje, aby wykazać, że te kokony mogą emitować fale grawitacyjne. I w przeciwieństwie do dżetów rozbłysków promieniowania gamma, fale grawitacyjne kokonów powinny mieścić się w paśmie częstotliwości, które może wykryć Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).
„Na dzień dzisiejszy LIGO wykryło tylko fale grawitacyjne z układów podwójnych, ale pewnego dnia wykryje pierwsze niebinarne źródło fal grawitacyjnych” – powiedział Ore Gottlieb z Northwestern, który kierował badaniami. „Kokony to jedno z pierwszych miejsc, w których powinniśmy szukać tego typu źródeł”.
Gottlieb zaprezentuje te badania podczas wirtualnego briefingu prasowego na 242. spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego. „Jetted and turbulent gwiezdna śmierć: nowe wykrywalne przez LIGO źródła fal grawitacyjnych” odbędzie się w poniedziałek, 5 czerwca, w ramach sesji „Odkrycia w odległych galaktykach”.
Gottlieb jest członkiem CIERA w Centrum Interdyscyplinarnych Eksploracji i Badań Astrofizycznych (CIERA) w Northwestern. Współautorami badania z Northwestern są profesorowie Vicky Kalogera i Alexander Tchekovskoy, współpracownicy z tytułem doktora Sharan Banagiri i Jonatan Jacquemin-Ide oraz doktorant Nick Kaaz.
Nowe źródło było „niemożliwe do zignorowania”
Aby przeprowadzić badanie, Gottlieb i jego współpracownicy wykorzystali najnowocześniejsze symulacje do modelowania zapadania się masywnej gwiazdy. Kiedy masywne gwiazdy zapadają się w czarne dziury, mogą tworzyć potężne wypływy (lub dżety) cząstek poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. Symulacje Gottlieba modelowały ten proces – od momentu zapadnięcia się gwiazdy w czarną dziurę do momentu ucieczki dżetu.
Początkowo chciał sprawdzić, czy dysk akrecyjny, który tworzy się wokół czarnej dziury, może emitować wykrywalne fale grawitacyjne. Ale z jego danych wciąż wyłaniało się coś nieoczekiwanego.
„Kiedy obliczałem fale grawitacyjne z okolic czarnej dziury, znalazłem inne źródło zakłócające moje obliczenia – kokon” – powiedział Gottlieb. „Próbowałem to zignorować. Ale stwierdziłem, że nie można tego zignorować. Wtedy zdałem sobie sprawę, że kokon był interesującym źródłem fal grawitacyjnych”.
Gdy dżety zderzają się z zapadającymi się warstwami umierającej gwiazdy, wokół dżetu tworzy się bańka lub „kokon”. Kokony to turbulentne miejsca, w których gorące gazy i szczątki mieszają się losowo i rozszerzają we wszystkich kierunkach od strumienia. Gdy energetyczny bąbel przyspiesza z dżetu, zaburza czasoprzestrzeń, tworząc falowanie fal grawitacyjnych, wyjaśnił Gottlieb.
„Dżet startuje głęboko wewnątrz gwiazdy, a następnie wierci sobie drogę ucieczki” – powiedział Gottlieb. „To tak, jakbyś wiercił dziurę w ścianie. Wirujące wiertło uderza w ścianę, a gruz wysypuje się ze ściany. Wiertło daje materiałowi energię. Podobnie strumień przebija gwiazdę, powodując nagrzewanie się materiału gwiazdy i rozlewają się. Te szczątki tworzą gorące warstwy kokonu”.
Wezwanie do działania, aby przyjrzeć się kokonom
Jeśli kokony rzeczywiście generują fale grawitacyjne, LIGO powinno być w stanie wykryć je w nadchodzących przebiegach, powiedział Gottlieb. Naukowcy zwykle szukali fal grawitacyjnych z jednego źródła z rozbłysków gamma lub supernowych, ale astrofizycy wątpią, czy LIGO mógłby je wykryć.
„Zarówno dżety, jak i supernowe są bardzo energetycznymi eksplozjami” – powiedział Gottlieb. „Ale fale grawitacyjne możemy wykryć tylko z asymetrycznych eksplozji o wyższej częstotliwości. Supernowe są raczej kuliste i symetryczne, więc eksplozje sferyczne nie zmieniają zrównoważonego rozkładu masy w gwieździe, aby emitować fale grawitacyjne. Rozbłyski gamma trwają kilkadziesiąt sekund, więc częstotliwość jest bardzo mała – niższa niż pasmo częstotliwości, na które LIGO jest czułe”.
Zamiast tego Gottlieb prosi astrofizyków o przekierowanie ich uwagi na kokony, które są zarówno asymetryczne, jak i wysoce energetyczne.
„Nasze badanie jest wezwaniem społeczności do działania, aby spojrzała na kokony jako źródło fal grawitacyjnych” – powiedział. „Wiemy również, że kokony emitują promieniowanie elektromagnetyczne, więc mogą to być zdarzenia z wieloma posłańcami. Badając je, moglibyśmy dowiedzieć się więcej o tym, co dzieje się w najbardziej wewnętrznej części gwiazd, właściwościach dżetów i ich występowaniu w gwiezdnych eksplozjach”.
Badanie „Jetted and turbulent gwiezdna śmierć: nowe źródła fal grawitacyjnych wykrywalnych przez LVK” było wspierane przez National Science Foundation, NASA i program Fermi Cycle 14 Guest Investigator. Te zaawansowane symulacje były możliwe dzięki Departamentowi Energii w Oak Ridge Superkomputer Summit National Laboratory i superkomputer Perlmutter National Energy Research Scientific Computing Center w ramach nagrody czasowej ASCR Leadership Computing Challenge.