Roterende neutronensterren onthullen nieuwe inzichten in de ongrijpbare continue zwaartekrachtgolven

Vijf jaar na de eerste ontdekking van Zwaartekrachtgolven, Een internationaal team van wetenschappers, waaronder van het ARC Center of Excellence for the Discovery of Gravitational Waves (OzGrav), blijft zoeken naar nieuwe ontdekkingen en inzichten in het universum. Met behulp van ultragevoelige kilometergrootte Lego Detectors in de Verenigde Staten en Virgo-detectoren in Europa, het team was getuige van explosieve botsingen van zwarte gaten en neutronensterren. Recente studies hebben echter naar iets heel anders gezocht: een eenzaam, snel ronddraaiend ongrijpbaar signaal Neutronenster.

Neem een ​​ster ter grootte van de zon en sla hem in een bol van twintig kilometer breed – ongeveer de afstand van Melbourne Airport tot het stadscentrum – en je hebt een neutronenster: het dichtste object in het bekende universum. Plaats nu uw neutronenster in een baan met honderden omwentelingen per seconde en luister aandachtig. Als je neutronenster niet helemaal bolvormig is, zal hij lichtjes oscilleren en hoor je een zwak “zoemen”. Wetenschappers noemen dit een continue zwaartekrachtgolf.

Tot nu toe zijn deze zoemende neutronensterren ongrijpbaar gebleken. OzGrav is ook postdoctoraal onderzoeker Carl Witt van Australische nationale universiteit “Stel je voor dat je buiten in de Australische jungle bent en naar dieren in het wild luistert. De zwaartekracht golven van.” Zwart gat De botsingen van neutronensterren die we tot nu toe hebben waargenomen, zijn als kaketoe-piepgeluiden – luid en luid, ze zijn heel gemakkelijk te herkennen!

De voortdurende zwaartekrachtgolf is echter als het voortdurende zwakke gezoem van een verre bij, dat moeilijk te detecteren is. We moeten dus een paar verschillende strategieën gebruiken. Soms gaan we in een specifieke richting – bijvoorbeeld een bloeiende struik waar de kans groter is dat bijen samenkomen. Andere keren sluiten we onze ogen en luisteren aandachtig naar alle geluiden die we kunnen horen, in een poging zoemende geluiden op de achtergrond op te vangen. Tot nu toe hebben we geen geluk gehad, maar we zullen het blijven proberen! Zodra we een aanhoudende zwaartekrachtgolf horen, zullen we in staat zijn om diep in het hart van een neutronenster te duiken en zijn mysteries te onthullen, wat een opwindende mogelijkheid is. “

Een recent onderzoek in samenwerking met OzGrav neemt de overblijfselen van exploderende sterren, supernovae genaamd, onder de loep. We gebruiken drie verschillende pijplijnen: de ene is geoptimaliseerd voor gevoeligheid, de andere kan een snel evoluerend signaal aan en de andere is geoptimaliseerd voor een fysiek scenario. Dit is LIGO’s eerste onderzoek dat alle drie deze scenario’s omvat, waardoor onze kans op continue detectie van golven wordt vergroot. .

Het detecteren van continue zwaartekrachtsgolven is buitengewoon moeilijk gebleken, maar dezelfde eigenschappen die ze ongrijpbaar maken, maken ze tot aantrekkelijke doelen. De exacte vorm van het signaal (d.w.z. de frequentie, hoe snel de frequentie verandert, hoe hoog het is, enz.) Hangt af van wat een neutronenster is. Tot nu toe is de structuur van neutronensterren een open vraag die allerlei natuurkundigen aantrekt. Zelfs zonder ontdekking stelt het onderzoek ons ​​in staat om achter de schermen te kijken naar de onbekende fysica van neutronensterren. Wanneer we continue golven detecteren, openen we het gordijn en laten we een licht schijnen op nieuwe fysica. Tot die tijd kunnen we de informatie waarover we beschikken gebruiken om ons begrip te verbeteren en onze onderzoeksmethoden te verbeteren. “

“Jonge neutronensterren in het supernova-overblijfsel zijn veelbelovende doelen voor de zoektocht naar kleine continue zwaartekrachtgolven, omdat ze niet lang genoeg hebben doorgebracht om te ontspannen en het contrast te verdunnen dat bij hun geboorte werd geïntroduceerd”, zegt OzGrav Associate Researcher Lilli Sun van de Australian National University Continue golven van deze jonge neutronensterren In de derde observatieronde bekijken we voor het eerst de mogelijkheden dat de interne formatie en structuur van de ster signalen kan produceren die worden uitgezonden door twee verschillende harmonischen. Hoewel er geen signaal werd gedetecteerd in O3 hebben we beperkingen opgelegd. “Interessant voor de eigenschappen van de neutronenster. Als een dergelijk signaal kan worden gedetecteerd in toekomstige waarnemingen wanneer de detectoren gevoeliger zijn, zal het licht werpen op de prachtige structuur van de neutronenster. “

“Zwaartekrachtgolven worden gebruikt om de vreemdste dingen in het universum te onderzoeken”, zegt Karl Blair, een postdoctoraal onderzoeker aan OzGrav van de University of Western Australia. Neutronensterren – gemaakt van materiaal dat als gigantische atoomkernen op zichzelf is ingestort – zouden moeten wees een van de vreemdste sterren. We weten veel over neutronensterren omdat ze zo klein en vreemd zijn. Zijn ze hard of zacht? En als ze snel ronddraaien wanneer ze instorten, oscilleren ze dan weg van die energie in de vorm van zwaartekrachtgolven? Hoewel er nog geen aanwijzingen zijn voor voortdurende zwaartekrachtgolven van neutronensterren, zijn er grenzen gesteld aan de mate van wiebelen van de neutronenster, omdat we de zwaartekrachtsgolven die daaruit worden uitgezonden nog niet hebben gemeten. “

Bovendien hebben recente studies die zijn aangekondigd door het internationale onderzoeksteam – waaronder de Amerikaanse / internationale wetenschappelijke samenwerking LIGO, de Europese Virgo-samenwerking en de Japanse KAGRA-samenwerking – zich gericht op pulsars. Dit zijn neutronensterren die fungeren als kosmische bakens en een overvloed aan energie uitzenden in de vorm van radiogolven. Pulsars zijn als gigantische draaiende magneten, behalve dat ze miljarden keren krachtiger zijn dan die in je koelkast. Zo sterk zelfs dat het magnetische veld de vorm van een neutronenster vervormt, en het kan zelfs de voortdurende zwaartekrachtgolven fluisteren. Hoewel recente studies niets hebben vastgelegd, hebben ze ernstige beperkingen gevonden voor hoe hard de “tinnitus” zou moeten klinken, wat in sommige gevallen de theoretische verwachtingen begon te tarten.

“Door de zwaartekrachtgolven van de O3-werking van de LIGO- en Virgo-detectoren te observeren, konden we realistische beperkingen stellen aan de voorspelde signalen van kleine pulsars. De O3-waarnemingen bieden ook de mogelijkheid om verschillende pijpleidingen te testen – zoals onderzoeksmethoden”, zegt Deeksha Beniwal , OzGrav-promovendus van de Universiteit van Adelaide. Verschillende continue golfsignalen – in realistische omgevingen. “

“De continue zwaartekrachtgolven van neutronensterren zijn veel kleiner dan de zwaartekrachtgolven die LIGO en Virgo tot nu toe hebben gezien”, zegt Meg Millhouse, een postdoctoraal onderzoeker aan Osgrave, van de Universiteit van Melbourne. Omdat dit signalen voor de lange termijn zijn: “We moeten naar veel gegevens kijken die erg rekenkundig moeilijk kunnen zijn. Onlangs gepubliceerde LIGO-Virgo-artikelen presenteren een breed scala van deze slimme methoden voor het detecteren van continue zwaartekrachtsgolven. zijn geen ontdekkingen in de meest recente geanalyseerde gegevens, we zijn in staat om Good te blijven onderzoeken en mogelijk een ontdekking te doen naarmate LIGO meer gegevens verzamelt. “

Wetenschappers schatten dat er miljarden neutronensterren in zitten Melkweg Met een zacht geruis van aanhoudende zwaartekrachtsgolven. Dus andere studies kozen voor de “wijd open oren” -benadering, waarbij de LIGO- en Virgo-gegevens werden gekamd voor elke hint van signaal. De resultaten tot dusverre geven aan dat deze trekjes erg stil zijn en buiten het “oor” van de detectoren. Naarmate de detectortechnologie echter geavanceerder en gevoeliger wordt, kan de allereerste detectie van continue zwaartekrachtgolven een realiteit worden.