Martin Rees a spus cândva: „Este clar că, într-un anumit sens, spațiul oferă singurul laborator care creează cu succes condiții extreme pentru a testa noi idei din fizica particulelor. Energiile Big Bang-ului au fost mult mai mari decât putem ajunge pe Pământ. Deci, căutând dovezi ale Big Bang-ului și studiind lucruri precum stelele cu neutroni, studiem de fapt fizica fundamentală.
Dacă există o diferență semnificativă între relativitatea generală și gravitația newtoniană, aceasta este: în teoria lui Einstein, nimic nu durează pentru totdeauna. Chiar dacă ai avea două mase absolut stabile care se orbitează între ele - mase care nu s-ar arde, pierde materiale sau s-ar schimba niciodată - orbitele lor se vor descompune treptat. Și dacă, în gravitația newtoniană, două mase se învârt în jurul unui centru comun de gravitație pentru totdeauna, relativitatea generală ne spune că o cantitate mică de energie se pierde de fiecare dată când masa este accelerată de câmpul gravitațional prin care trece. Această energie nu dispare, ci este transportată sub formă de unde gravitaționale. Pe perioade de timp suficient de lungi, va fi radiată suficientă energie pentru ca cele două mase rotative să se atingă și să se contopească. LIGO a observat deja acest lucru de trei ori cu găuri negre. Este posibil să fie momentul să faci următorul pas și să vezi prima fuziune a stelelor cu neutroni, spune Ethan Siegel, de la Medium.com.
Orice masă prinsă în acest dans gravitațional va emite valuri gravitaționale, determinând perturbarea orbitei. Există trei motive pentru care LIGO a descoperit găurile negre:
1. Sunt incredibil de masivi
2. Sunt cele mai compacte obiecte din univers
3. În ultimul moment al fuziunii, s-au rotit cu frecvența corectă, astfel încât acestea să poată fi fixate cu brațele laser LIGO
Toate acestea împreună - mase mari, distanțe scurte și raza de frecvență potrivită - oferă echipei LIGO o zonă de căutare uriașă, în care pot căuta fuziuni cu găurile negre. Zdrențele din aceste dansuri masive se extind timp de multe miliarde de ani-lumină și ajung chiar și pe Pământ.
Video promotional:
Deși găurile negre trebuie să aibă un disc de acumulare, semnalele electromagnetice pe care se presupune că le vor genera găurile negre rămân evazive. Dacă partea electromagnetică a fenomenului este prezentă, ea trebuie să fie produsă de stele neutronice.
Universul are multe alte obiecte interesante care produc valuri gravitaționale mari. Găurile negre supermasive din centrele galaxiilor mănâncă nori de gaze, planete, asteroizi și chiar și alte stele și găuri negre tot timpul. Din păcate, deoarece orizonturile lor de evenimente sunt atât de uriașe, se mișcă extrem de lent pe orbită și dau o frecvență greșită pentru detectarea LIGO. Piticele albe, stelele binare și alte sisteme planetare au aceeași problemă: aceste obiecte sunt prea mari din punct de vedere fizic și, prin urmare, orbitează prea mult. Atâta timp încât am avea nevoie de un observator spațial al undelor gravitaționale pentru a le vedea. Există însă o altă speranță care are combinația potrivită de caracteristici (masă, compactitate, frecvența potrivită) pentru a fi văzută de LIGO: fuzionarea stelelor neutronice.
Pe măsură ce două stele de neutroni orbitează reciproc, teoria generală a relativității lui Einstein prezice degradarea orbitală și radiațiile gravitaționale. În etapele finale ale unei fuziuni - care nu a fost niciodată văzută în undele gravitaționale - amplitudinea va fi la apogeu și LIGO va putea detecta evenimentul.
Stelele neutronice nu sunt la fel de masive ca găurile negre, dar pot fi probabil de două până la trei ori mai masive decât Soarele: aproximativ 10-20% din masa evenimentelor LIGO detectate anterior. Sunt aproape la fel de compacte ca găurile negre, cu o dimensiune fizică de doar zece kilometri în rază. În ciuda faptului că găurile negre se prăbușesc la o singularitate, ele au un orizont de eveniment, iar dimensiunea fizică a unei stele neutronice (practic doar un nucleu atomic gigant) nu este cu mult mai mare decât orizontul eveniment al unei găuri negre. Frecvența lor, în special în ultimele câteva secunde ale fuziunii, este excelentă pentru sensibilitatea LIGO. Dacă evenimentul se întâmplă la locul potrivit, putem afla cinci fapte incredibile.
În timpul răsucirii în spirală și al îmbinării a două stele de neutroni, trebuie eliberată o cantitate extraordinară de energie, precum și elemente grele, unde gravitaționale și un semnal electromagnetic, așa cum se arată în imagine.
Stelele neutronice creează cu adevărat explozii de raze gamma?
Există o idee interesantă: faptul că exploziile de raze gamma scurte, care sunt incredibil de energice, dar durează mai puțin de două secunde, sunt cauzate de fuziunea stelelor de neutroni. Ele provin din galaxii vechi în regiuni în care nu se nasc stele noi, ceea ce înseamnă că doar cadavrele stelare le pot explica. Dar până nu știm cum apare scurta izbucnire de raze gamma, nu putem fi siguri ce le provoacă. Dacă LIGO poate detecta fuziunea stelelor de neutroni din undele gravitaționale și putem vedea o scurtă rafală gamma izbucnită imediat după aceasta, aceasta va fi confirmarea finală a uneia dintre cele mai interesante idei în astrofizică.
Cele două stele neutronice care se îmbină, așa cum se arată aici, se învârtesc și emit unde gravitaționale, dar sunt mai dificil de detectat decât găurile negre. Cu toate acestea, spre deosebire de găurile negre, ei trebuie să-și exprime o parte din masă înapoi în Univers, unde vor contribui acolo sub formă de elemente grele.
Când stelele de neutroni se ciocnesc, cât din masa lor nu devine o gaură neagră?
Când te uiți la elementele grele de pe tabelul periodic și te întrebi cum au ajuns, o supernova vine în minte. Până la urmă, această poveste este deținută de astronomi și este parțial adevărată. Dar majoritatea elementelor grele de pe tabelul periodic sunt mercurul, aurul, wolframul, plumbul etc. - născut efectiv în coliziuni de stele neutronice. Cea mai mare parte a masei de stele cu neutroni, de ordinul 90-95%, creează o gaură neagră în centru, dar straturile exterioare rămase sunt expulzate, formând majoritatea acestor elemente în galaxia noastră. Este demn de remarcat faptul că, dacă masa combinată a două stele de neutroni care fuzionează scade sub un anumit prag, acestea vor forma o stea neutronă, nu o gaură neagră. Acest lucru este rar, dar nu imposibil. Și nu știm cu exactitate cât de multă masă este aruncată în timpul unui astfel de eveniment. Dacă LIGO înregistrează un astfel de eveniment, vom afla.
Acesta ilustrează gama Advanced LIGO și capacitatea sa de a detecta fuziunile găurilor negre. Fuziunea stelelor de neutroni se poate încadra doar la o zecime din interval și poate avea 0,1% din volumul obișnuit, dar dacă există multe stele cu neutroni, LIGO va găsi.
Cât de departe poate vedea LIGO contopirea stelelor neutronice?
Această întrebare nu este despre universul în sine, ci mai degrabă despre cât de sensibil este designul LIGO. În cazul luminii, dacă obiectul este de 10 ori mai îndepărtat, acesta va fi de 100 de ori mai slab; dar cu unde gravitaționale, dacă obiectul este de 10 ori mai departe, semnalul de undă gravitațională va fi de doar 10 ori mai slab. LIGO poate observa găuri negre la multe milioane de ani lumină distanță, dar stelele neutronice vor fi vizibile doar dacă se coagulează în grupurile galactice din apropiere. Dacă vedem o astfel de fuziune, putem verifica cât de bun este hardware-ul nostru sau cât de bun ar trebui să fie.
Când două stele de neutroni se contopesc, așa cum este arătat aici, ar trebui să creeze jeturi cu raze gamma, precum și alte fenomene electromagnetice care, dacă Pământul este aproape, vor fi sesizate de cele mai bune observatoare ale noastre.
Ce fel de rămâne în urma unei fuziuni de stele cu neutroni?
Știm, în unele cazuri, că evenimentele puternice corespunzătoare coliziunilor de stele cu neutroni au avut deja loc și că lasă semnături în alte benzi electromagnetice. În plus față de razele gamma, pot exista componente ultraviolete, optice, infraroșii sau radio. Sau poate fi o componentă multispectrală care apare în toate cele cinci benzi, în această ordine. Când LIGO detectează o fuziune de stele cu neutroni, am putea surprinde unul dintre cele mai uluitoare fenomene ale naturii.
O stea neutronică, deși compusă din particule neutre, produce cele mai puternice câmpuri magnetice din univers. Atunci când stelele neutronice se contopesc, acestea ar trebui să producă atât unde gravitaționale, cât și semnături electromagnetice.
Pentru prima dată, vom putea combina astronomia cu unde gravitaționale cu cea tradițională
Evenimentele anterioare surprinse de LIGO au fost impresionante, dar nu am avut ocazia să observăm aceste fuziuni printr-un telescop. Ne-am confruntat inevitabil cu doi factori:
- Pozițiile evenimentelor nu pot fi determinate cu exactitate doar cu doi detectori, în principiu
- Fuziunile cu găuri negre nu au o componentă electromagnetică (ușoară) strălucitoare
Acum, că VIRGO lucrează în sincronizare cu doi detectori LIGO, ne putem îmbunătăți în mod dramatic înțelegerea locurilor unde sunt generate aceste unde gravitaționale în spațiu. Dar, mai important, întrucât fuziunea stelelor neutronice trebuie să aibă o componentă electromagnetică, acest lucru ar putea însemna că pentru prima dată astronomia undelor gravitaționale și astronomia tradițională vor fi folosite împreună pentru a observa același eveniment în univers!
Răsucirea în spirală și îmbinarea a două stele de neutroni, așa cum este arătat aici, ar trebui să conducă la un semnal de undă gravitațională specifică. De asemenea, momentul fuziunii trebuie să creeze radiații electromagnetice, unice și identificabile în sine.
Am intrat deja într-o nouă eră a astronomiei, unde folosim nu numai telescoape, ci și interferometre. Folosim nu numai lumina, ci și undele gravitaționale pentru a vedea și înțelege universul. Dacă apare o fuziune de stele cu neutroni în LIGO, chiar dacă este rară, iar rata de detecție este scăzută, vom trece la următoarea graniță. Cerul gravitațional și cerul luminii nu vor mai fi străini unul de celălalt. Vom fi cu un pas mai aproape de a înțelege modul în care funcționează cele mai extreme obiecte din Univers și vom avea o fereastră în spațiul nostru pe care nimeni nu l-a mai avut până acum.
Ilya Khel
