Мартин Рийс веднъж каза: „Става ясно, че в известен смисъл пространството осигурява единствената лаборатория, която успешно създава екстремни условия за тестване на нови идеи от физиката на частиците. Енергиите на Големия взрив бяха много по-високи, отколкото можем да достигнем на Земята. Така че в търсене на доказателства за Големия взрив и изучаване на неща като неутронни звезди, ние всъщност изучаваме фундаменталната физика."
Ако има една съществена разлика между общата относителност и нютоновата гравитация, това е следното: в теорията на Айнщайн нищо не трае вечно. Дори ако имате две напълно стабилни маси, орбитиращи една друга - маси, които никога няма да изгорят, да загубят материал или да се променят - орбитите им постепенно ще се разпадат. И ако в нютоновата гравитация две маси се въртят около общ център на тежестта завинаги, общата относителност ни казва, че всяко количество енергия се губи всеки път, когато масата се ускорява от гравитационното поле, през което преминава. Тази енергия не изчезва, а се пренася под формата на гравитационни вълни. За достатъчно дълги периоди от време ще се излъчва достатъчно енергия за двете въртящи се маси да се допират една до друга и да се слеят. LIGO вече е наблюдавал това три пъти с черни дупки. Но може да е време да направите следващата стъпка и да видите първото сливане на неутронни звезди, казва Итън Сийгъл от Medium.com.
Всяка маса, уловена в този гравитационен танц, ще излъчва гравитационни вълни, причинявайки нарушаване на орбитата. Има три причини LIGO да открие черни дупки:
1. Те са невероятно масивни
2. Те са най-компактните обекти във Вселената
3. В последния момент на сливането те се завъртяха с правилната честота, така че да могат да бъдат фиксирани от лазерните рамена LIGO
Всичко това заедно - големи маси, къси разстояния и правилния честотен диапазон - дават на екипа на LIGO огромна зона за търсене, в която те могат да опипат за сливания на черни дупки. Пулсациите от тези масивни танци се простират в продължение на много милиарди светлинни години и дори достигат до Земята.
Промоционално видео:
Докато черните дупки трябва да имат акреционен диск, електромагнитните сигнали, които трябва да генерират черни дупки, остават неуловими. Ако присъства електромагнитната част на явлението, тя трябва да бъде произведена от неутронни звезди.
Вселената има много други интересни обекти, които произвеждат големи гравитационни вълни. Свръхмасивните черни дупки в центровете на галактиките непрекъснато изяждат газови облаци, планети, астероиди и дори други звезди и черни дупки през цялото време. За съжаление, тъй като хоризонтите им за събития са толкова огромни, те се движат изключително бавно по орбита и издават грешен честотен диапазон, за да може LIGO да открие. Белите джуджета, бинарните звезди и други планетарни системи имат същия проблем: тези обекти са физически твърде големи и следователно орбитират твърде дълго. Толкова дълго, че ще ни трябва космическа обсерватория на гравитационните вълни, за да ги видим. Но има още една надежда, която има правилната комбинация от характеристики (маса, компактност, правилната честота), която да се види от LIGO: сливане на неутронни звезди.
Тъй като две неутронни звезди обикалят около себе си, общата теория на относителността на Айнщайн предвижда орбитален разпад и гравитационно излъчване. В последните етапи на сливане - което никога не е било наблюдавано при гравитационни вълни - амплитудата ще бъде на своя пик и LIGO ще може да открие събитието.
Нейтронните звезди не са толкова масивни, колкото черните дупки, но вероятно те могат да бъдат два до три пъти по-масивни от Слънцето: около 10-20% от масата на преди това открити LIGO събития. Те са почти толкова компактни, колкото черните дупки, с физически размер в радиус само десет километра. Въпреки факта, че черните дупки се сриват до една особеност, те имат хоризонт на събитията, а физическият размер на неутронна звезда (в основата си просто гигантско атомно ядро) не е много по-голям от хоризонта на събитията на черна дупка. Честотата им, особено в последните секунди на сливането, е чудесна за чувствителността на LIGO. Ако събитието се случи на правилното място, можем да научим пет невероятни факта.
По време на спиралното усукване и сливане на две неутронни звезди трябва да се освободи огромно количество енергия, както и тежки елементи, гравитационни вълни и електромагнитен сигнал, както е показано на изображението.
Създават ли наистина неутронни звезди гама лъчи?
Има една интересна мисъл: че късите изблици на гама лъчи, които са невероятно енергични, но траят по-малко от две секунди, са причинени от сливане на неутронни звезди. Те произлизат от стари галактики в региони, където не се раждат нови звезди, което означава, че само звездни трупове могат да ги обяснят. Но докато не разберем как се появява спукването на къси гама лъчи, не можем да сме сигурни какво ги причинява. Ако LIGO успее да открие сливането на неутронни звезди от гравитационните вълни и веднага след това можем да видим кратък гама лъч, това ще бъде окончателното потвърждение на една от най-интересните идеи в астрофизиката.
Двете сливащи се неутронни звезди, както е показано тук, въртят се и излъчват гравитационни вълни, но са по-трудни за откриване от черните дупки. Въпреки това, за разлика от черните дупки, те трябва да изхвърлят част от масата си обратно във Вселената, където ще допринесат там под формата на тежки елементи.
Когато неутронните звезди се сблъскат, каква част от масата им не се превръща в черна дупка?
Когато погледнете тежките елементи на периодичната таблица и се чудите как са станали, на ум ни идва свръхнова. В крайна сметка тази история се държи от астрономите и отчасти е вярна. Но повечето от тежките елементи на периодичната таблица са живак, злато, волфрам, олово и т.н. - всъщност родени в сблъсъци на неутронни звезди. По-голямата част от масата на неутронните звезди от порядъка на 90-95% отива за създаване на черна дупка в центъра, но останалите външни слоеве се изхвърлят, образувайки повечето от тези елементи в нашата галактика. Струва си да се отбележи, че ако комбинираната маса от две сливащи се неутронни звезди падне под определен праг, те ще образуват неутронна звезда, а не черна дупка. Това е рядко, но не и невъзможно. И не знаем точно колко маса е изхвърлена по време на подобно събитие. Ако LIGO регистрира подобно събитие, ще разберем.
Той илюстрира обхвата на Advanced LIGO и способността му да открива сливания в черна дупка. Сливането на неутронни звезди може да попадне само в една десета от обхвата и да има 0,1% от обичайния обем, но ако има много неутронни звезди, LIGO ще намери.
Докъде може LIGO да види сливането на неутронни звезди?
Този въпрос не е за самата Вселена, а за това колко чувствителен е дизайнът на LIGO. В случай на светлина, ако обектът е на 10 пъти по-далеч, той ще бъде 100 пъти по-слаб; но при гравитационни вълни, ако обектът е 10 пъти по-отдалечен, сигналът на гравитационната вълна ще бъде само 10 пъти по-слаб. LIGO може да наблюдава черни дупки на много милиони светлинни години, но неутронните звезди ще бъдат видими само ако се слеят в близките галактически клъстери. Ако видим такова сливане, можем да проверим колко добър е хардуерът ни или колко добър трябва да бъде.
Когато две неутронни звезди се сливат, както е показано тук, те трябва да създават гама-лъчи, както и други електромагнитни явления, които, ако Земята е близо, ще бъдат забележими от нашите най-добри обсерватории.
Какъв вид зачервяване остава след сливане на неутронни звезди?
Знаем в някои случаи, че вече са настъпили силни събития, съответстващи на сблъсъци на неутронни звезди и че те оставят подписи в други електромагнитни ленти. В допълнение към гама лъчите, може да има ултравиолетови, оптични, инфрачервени или радио компоненти. Или може да е мултиспектрален компонент, появяващ се във всичките пет ленти, в този ред. Когато LIGO открие сливане на неутронни звезди, бихме могли да заснемем едно от най-поразителните явления на природата.
Неутронна звезда, макар и съставена от неутрални частици, произвежда най-силните магнитни полета във Вселената. Когато неутронните звезди се сливат, те трябва да произвеждат както гравитационни вълни, така и електромагнитни сигнатури.
За първи път ще можем да съчетаем гравитационно-вълновата астрономия с традиционната
Предишните събития, заснети от LIGO, бяха впечатляващи, но ние не сме имали възможност да наблюдаваме тези сливания чрез телескоп. Неминуемо сме изправени пред два фактора:
- По принцип позициите на събитията не могат да бъдат точно определени само с два детектора
- Сливанията на черни дупки нямат ярък електромагнитен (лек) компонент
Сега, когато VIRGO работи в синхрон с два LIGO детектора, можем значително да подобрим разбирането си къде точно се генерират тези гравитационни вълни в космоса. Но по-важното е, че тъй като сливането на неутронните звезди трябва да има електромагнитен компонент, това може да означава, че за първи път астрономията на гравитационната вълна и традиционната астрономия ще бъдат използвани заедно, за да наблюдават едно и също събитие във Вселената!
Спиралното усукване и сливане на две неутронни звезди, както е показано тук, трябва да доведе до специфичен сигнал за гравитационна вълна. Също така моментът на сливането трябва да създаде електромагнитно излъчване, уникално и разпознаваемо само по себе си.
Вече навлязохме в нова ера на астрономията, в която използваме не само телескопи, но и интерферометри. Ние използваме не само светлина, но и гравитационни вълни, за да видим и разберем Вселената. Ако в LIGO се появи сливане на неутронни звезди, дори и да е рядко, а степента на откриване е ниска, ще преминем следващата граница. Гравитационното небе и небето на светлината вече няма да са непознати един за друг. Ще бъдем една крачка по-близо до разбирането как работят най-екстремните обекти във Вселената и ще имаме прозорец в нашето пространство, какъвто никой друг досега не е имал.
Иля Кел