Naukowcy odkryli, że fale grawitacyjne ze zderzeń gwiazd neutronowych mogą ujawnić ich wnętrze. Analiza „długiego dzwonienia” wykazała zależność między sygnałem a równaniem stanu materii gwiazdy neutronowej.
Wyniki zostały niedawno opublikowane w Nature Communications.
Gwiazdy neutronowe, o masie większej niż masa całego Układu Słonecznego, zamknięte w niemal idealnej kuli o średnicy zaledwie kilkunastu kilometrów, są jednymi z najbardziej fascynujących obiektów astrofizycznych znanych ludzkości. Jednak ekstremalne warunki panujące w ich wnętrzach sprawiają, że ich skład i struktura są wysoce niepewne. Zderzenie dwóch gwiazd neutronowych, takie jak to zaobserwowane w 2017 roku, stanowi wyjątkową okazję do odkrycia tych tajemnic. Gdy dwie gwiazdy neutronowe okrążają się spiralnie przez miliony lat, emitują fale grawitacyjne, ale najbardziej intensywna emisja występuje w momencie łączenia się i zaledwie milisekundy po nim. Pozostałość po połączeniu – masywny, szybko wirujący obiekt powstały w wyniku zderzenia – emituje fale grawitacyjne w silnym, ale wąskim zakresie częstotliwości. Sygnał ten zawiera kluczowe informacje na temat tak zwanego równania stanu materii jądrowej, które opisuje zachowanie materii przy ekstremalnych gęstościach i ciśnieniach.
Grupa prof. Luciano Rezzolli z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie odkryła teraz, że chociaż amplituda sygnału fal grawitacyjnych po fuzji maleje z czasem, staje się on coraz bardziej „czysty” – zmierzając w kierunku jednej częstotliwości, podobnie jak gigantyczny kamerton rezonujący po uderzeniu. Nazwali tę fazę „długim dzwonieniem” i zidentyfikowali silny związek między jej unikalnymi cechami a właściwościami najgęstszych obszarów w rdzeniach gwiazd neutronowych.
Podobnie jak kamertony z różnych materiałów będą miały różne czyste tony, pozostałości opisane różnymi równaniami stanu będą dzwonić z różnymi częstotliwościami. Wykrycie tego sygnału może zatem potencjalnie ujawnić, z czego zbudowane są gwiazdy neutronowe – powiedział Rezzolla, dodając: Jestem szczególnie dumny z tej pracy, ponieważ stanowi ona przykładowy dowód doskonałości naukowców z Frankfurtu i Darmstadt w badaniu gwiazd neutronowych, które były głównym przedmiotem zainteresowania klastra badawczego ELEMENTS.
Korzystając z zaawansowanych symulacji ogólnej teorii względności łączących się gwiazd neutronowych ze starannie skonstruowanymi równaniami stanu, naukowcy wykazali, że analiza długiego spadku może znacznie zmniejszyć niepewność w równaniu stanu przy bardzo dużych gęstościach – gdzie obecnie nie są dostępne żadne bezpośrednie ograniczenia. Dzięki postępom w modelowaniu statystycznym i wysoce precyzyjnym symulacjom na najpotężniejszych niemieckich superkomputerach, odkryliśmy nową fazę długiego spadku w fuzjach gwiazd neutronowych – powiedział dr Christian Ecker, pierwszy autor pracy. Ma ona potencjał, aby zapewnić nowe i rygorystyczne ograniczenia dotyczące stanu materii w gwiazdach neutronowych. Odkrycie to toruje drogę do lepszego zrozumienia gęstej materii gwiazd neutronowych, zwłaszcza że w przyszłości obserwowane będą nowe zdarzenia.
Współautor, dr Tyler Gorda dodał: Sprytnie wybierając kilka równań stanu, byliśmy w stanie skutecznie symulować wyniki pełnego zestawu statystycznych modeli materii przy znacznie mniejszym wysiłku. Skutkuje to nie tylko mniejszym zużyciem czasu i energii, ale także daje nam pewność, że nasze wyniki są solidne i będą miały zastosowanie do dowolnego równania stanu występującego w naturze.
Podczas gdy obecne detektory fal grawitacyjnych nie zaobserwowały jeszcze sygnału po fuzji, naukowcy są optymistami, że detektory nowej generacji, takie jak Teleskop Einsteina, które mają zostać uruchomione w Europie w ciągu następnej dekady, umożliwią tę długo oczekiwaną detekcję. Gdy tak się stanie, długie dzwonienie posłuży jako potężne narzędzie do badania enigmatycznych wnętrz gwiazd neutronowych i ujawnienia tajemnic materii w jej najbardziej ekstremalnym wydaniu.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Tuning forks in space: a final pure “tone” may reveal interior of neutron stars
- Constraining the equation of state in neutron-star cores via the long-ringdown signal
Źródło: Uniwersytet Goethego
Na ilustracji: Sygnał emitowany przez dwie łączące się gwiazdy neutronowe przypomina sygnał kamertonu. Źródło: L. Rezzolla/pixabay
