Kartą Martinas Reesas sakė: „Jau tampa akivaizdu, kad tam tikra prasme erdvė yra vienintelė laboratorija, kuri sėkmingai sukuria ekstremalias sąlygas išbandyti naujas dalelių fizikos idėjas. Didžiojo sprogimo energijos buvo daug didesnės, nei mes galime pasiekti Žemėje. Taigi, ieškodami didžiojo sprogimo įrodymų ir studijuodami tokius dalykus kaip neutroninės žvaigždės, mes iš tikrųjų studijuojame pagrindinę fiziką “.
Jei yra vienas reikšmingas skirtumas tarp bendrojo reliatyvumo ir Niutono gravitacijos, tai yra toks: Einšteino teorijoje niekas nesitęs amžinai. Net jei jūs turėtumėte dvi absoliučiai stabilias mases, kurios riedės aplink viena kitą - mases, kurios niekada neišdegtų, neprarastų medžiagų ir nepasikeistų, jų orbita palaipsniui nyks. Ir jei Niutono gravitacijoje dvi masės sukasi aplink bendrą svorio centrą amžinai, bendras reliatyvumas mums sako, kad kaskart, kai masė pagreitėja gravitaciniu lauku, per kurį ji praeina, prarandamas nedidelis energijos kiekis. Ši energija neišnyksta, bet yra nunešta gravitacinių bangų pavidalu. Per pakankamai ilgą laiką bus spinduliuojama pakankamai energijos, kad dvi besisukančios masės galėtų liesti viena kitą ir susijungti. LIGO tai jau pastebėjo tris kartus su juodosiomis skylėmis. Tačiau gali būti laikas žengti kitą žingsnį ir pamatyti pirmąjį neutroninių žvaigždžių susiliejimą, sako Ethanas Siegelis iš „Medium.com“.
- „Salik.biz“
Bet kurios šio gravitacinio šokio metu sugautos masės skleis gravitacines bangas, sukeldamos orbitos sutrikimą. Yra trys priežastys, kodėl LIGO atrado juodąsias skyles:
1. Jie yra nepaprastai masyvūs
2. Jie yra patys kompaktiškiausi objektai visatoje
3. Paskutiniu susijungimo momentu jie sukasi tinkamu dažniu, kad juos būtų galima pritvirtinti LIGO lazerio rankomis
Visa tai kartu - didelės masės, nedideli atstumai ir tinkamas dažnių diapazonas - suteikia LIGO komandai didžiulę paieškos sritį, kurioje jie gali jaudintis dėl juodųjų skylių susijungimo. Šių masinių šokių bangos išlindo per daugelį milijardų šviesos metų ir pasiekia net Žemę.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Nors juodosios skylės turi turėti įbrėžimo diską, elektromagnetiniai signalai, kuriuos turėtų generuoti juodosios skylės, išlieka sunkiai pasiekiami. Jei yra elektromagnetinė reiškinio dalis, ją turi sudaryti neutroninės žvaigždės.
Visatoje yra daug kitų įdomių objektų, kurie skleidžia dideles gravitacines bangas. Supermasyvios juodosios skylės galaktikų centruose visą laiką sunaikina dujų debesis, planetas, asteroidus ir net kitas žvaigždes bei juodąsias skyles. Deja, kadangi jų įvykių horizontas yra toks didžiulis, jie labai lėtai juda orbita ir pateikia klaidingą dažnių diapazoną, kurį LIGO turi aptikti. Baltosios nykštukės, dvejetainės žvaigždės ir kitos planetų sistemos turi tą pačią problemą: šie objektai yra fiziškai per dideli, todėl orbitoje per ilgi. Taip ilgai, kad mums prireiktų gravitacinių bangų kosminės observatorijos, kad jas pamatytume. Tačiau yra dar viena viltis, turinti tinkamą charakteristikų derinį (masė, kompaktiškumas, tinkamas dažnis), kuriuos turi pamatyti LIGO: suliejančios neutronines žvaigždes.
Kadangi dvi neutroninės žvaigždės skrieja viena į kitą, bendroji Einšteino reliatyvumo teorija numato orbitos irimą ir gravitacinę spinduliuotę. Paskutiniuose susijungimo etapuose, kurių dar niekada nebuvo matyti gravitacinėse bangose, amplitudė bus didžiausia ir LIGO galės nustatyti įvykį.
Neutronų žvaigždės nėra tokios masyvios kaip juodosios skylės, tačiau tikriausiai jos gali būti du ar tris kartus masyvesnės nei Saulė: apie 10-20% anksčiau aptiktų LIGO įvykių masės. Jie yra beveik tokie pat kompaktiški kaip juodosios skylės, jų fizinis dydis yra tik dešimties kilometrų spinduliu. Nepaisant to, kad juodosios skylės žlunga iki išskirtinumo, jos turi įvykio horizontą, o neutroninės žvaigždės (iš esmės tik milžiniško atominio branduolio) fizinis dydis nėra daug didesnis nei juodosios skylės įvykio horizontas. Jų dažnis, ypač paskutinėmis sujungimo sekundėmis, yra puikus LIGO jautrumas. Jei įvykis įvyks tinkamoje vietoje, galime sužinoti penkis neįtikėtinus faktus.
Dviejų neutroninių žvaigždžių spiralės sukimo ir susiliejimo metu turi būti paleista didžiulė energija, taip pat sunkieji elementai, gravitacinės bangos ir elektromagnetinis signalas, kaip parodyta paveikslėlyje.
Ar tikrai neutronų žvaigždės sukuria gama spindulių bangas?
Kyla įdomi idėja: kad trumpi gama spindulių bangos, kurios yra neįtikėtinai energingos, tačiau trunka mažiau nei dvi sekundes, atsiranda dėl susiliejančių neutroninių žvaigždžių. Jie kyla iš senų galaktikų regionuose, kur negimsta naujos žvaigždės, o tai reiškia, kad juos paaiškinti gali tik žvaigždžių lavonai. Tačiau kol nežinome, kaip atsiranda trumpas gama spindulys, negalime būti tikri, kas juos sukelia. Jei LIGO gali aptikti neutroninių žvaigždžių susiliejimą iš gravitacinių bangų ir iškart po to galime pamatyti trumpą gama spindulio sprogimą, tai bus galutinis vienos įdomiausių astrofizikos idėjų patvirtinimas.
Dvi susijungiančios neutroninės žvaigždės, kaip parodyta čia, sukasi ir skleidžia gravitacines bangas, tačiau jas sunkiau aptikti nei juodąsias skyles. Tačiau, skirtingai nuo juodųjų skylių, jie dalį savo masės turi išstumti į Visatą, kur ten pateks sunkiųjų elementų pavidalu.
Kai susiduria neutroninės žvaigždės, kokia jų masė netampa juodąja skyle?
Kai pažvelgi į sunkius periodinio stalo elementus ir galvoji, kaip jie atsirado, ateina į galvą supernova. Galų gale, ši istorija laikoma astronomų ir iš dalies tiesa. Bet dauguma sunkiųjų elementų, esančių periodinėje lentelėje, yra gyvsidabris, auksas, volframas, švinas ir kt. - iš tikrųjų gimsta susidūrus neutroninėms žvaigždėms. Didžioji dalis neutroninių žvaigždžių masės, maždaug 90–95%, eina tam, kad centre būtų sukurta juodoji skylė, tačiau likę išoriniai sluoksniai yra išstumiami ir sudaro didžiąją dalį šių elementų mūsų galaktikoje. Verta paminėti, kad jei dviejų susijungiančių neutroninių žvaigždžių bendra masė nukris žemiau tam tikro slenksčio, jos sudarys neutroninę žvaigždę, o ne juodąją skylę. Tai yra reta, bet ne neįmanoma. Ir mes tiksliai nežinome, kiek masės išmetama per tokį renginį. Jei LIGO užregistruos tokį įvykį, sužinosime.
Tai iliustruoja „Advanced LIGO“asortimentą ir jo galimybes aptikti juodųjų skylių susijungimus. Susiliejančios neutronų žvaigždės gali patekti tik į vieną dešimtadalį diapazono ir turėti 0,1% įprasto tūrio, tačiau jei yra daug neutroninių žvaigždžių, LIGO suras.
Ar toli LIGO gali pamatyti neutroninių žvaigždžių susiliejimą?
Šis klausimas yra ne apie pačią visatą, o apie tai, koks jautrus yra LIGO dizainas. Šviesos atveju, jei objektas yra 10 kartų toliau, jis bus 100 kartų silpnesnis; bet su gravitacinėmis bangomis, jei objektas yra 10 kartų toliau, gravitacinių bangų signalas bus tik 10 kartų silpnesnis. LIGO gali stebėti juodąsias skylutes daugelio milijonų šviesmečių atstumu, tačiau neutronų žvaigždės bus matomos tik tada, kai jos susilies artimiausiose galaktikų grupėse. Pamatę tokį susiliejimą, galime patikrinti, ar mūsų aparatūra yra gera, ar ji turėtų būti gera.
Kai dvi neutroninės žvaigždės susijungia, kaip parodyta čia, jos turėtų sukurti gama spindulius, taip pat kitus elektromagnetinius reiškinius, kuriuos, jei Žemė bus arti, pastebės mūsų geriausi observatorijos.
Koks papildomas žvilgesys išlieka sujungus neutronines žvaigždes?
Kai kuriais atvejais mes žinome, kad stiprūs įvykiai, atitinkantys neutroninių žvaigždžių susidūrimus, jau įvyko ir kad jie palieka parašus kitose elektromagnetinėse juostose. Be gama spindulių, gali būti ultravioletinių, optinių, infraraudonųjų ar radijo komponentų. Arba tai gali būti multispektrinis komponentas, pasirodantis visomis penkiomis juostomis, ta tvarka. Kai LIGO aptiks neutroninių žvaigždžių susijungimą, galėtume užfiksuoti vieną stulbinamiausių gamtos reiškinių.
Neutronų žvaigždė, nors ir sudaryta iš neutralių dalelių, sukuria stipriausius Visatos magnetinius laukus. Kai neutroninės žvaigždės susilieja, jos turėtų sukelti ir gravitacines bangas, ir elektromagnetinius signalus.
Pirmą kartą gravitacinių bangų astronomiją galėsime derinti su tradicine
Ankstesni LIGO užfiksuoti įvykiai buvo įspūdingi, tačiau mes neturėjome galimybės stebėti šių susijungimų per teleskopą. Neišvengiamai susidūrėme su dviem veiksniais:
- Iš principo negalima tiksliai nustatyti įvykių padėties tik dviem detektoriais
- Juodųjų skylių susijungimas neturi ryškaus elektromagnetinio (šviesos) komponento
Dabar, kai VIRGO dirba sinchroniškai su dviem LIGO detektoriais, mes galime žymiai pagerinti savo supratimą apie tai, kur šios gravitacijos bangos sukuriamos erdvėje. Bet dar svarbiau, kadangi sujungiant neutronines žvaigždes turi būti elektromagnetinis komponentas, tai gali reikšti, kad pirmą kartą gravitacinių bangų astronomija ir tradicinė astronomija bus panaudotos kartu stebėti tą patį įvykį visatoje!
Dviejų neutroninių žvaigždžių spiralinis susisukimas ir susiliejimas, kaip parodyta čia, turėtų sukelti specifinį gravitacinių bangų signalą. Susiliejimo momentas taip pat turi sukurti unikalią ir atpažįstamą elektromagnetinę spinduliuotę.
Jau įžengėme į naują astronomijos erą, kur naudojame ne tik teleskopus, bet ir interferometrus. Mes naudojame ne tik šviesą, bet ir gravitacines bangas, norėdami pamatyti ir suprasti Visatą. Jei LIGO įvyks neutroninių žvaigždžių susiliejimas, net jei tai vyksta retai, o aptikimo dažnis yra mažas, mes kirsime kitą sieną. Gravitacinis dangus ir šviesos dangus nebebus svetimi vienas kitam. Būsime vienu žingsniu arčiau supratimo, kaip veikia patys kraštutiniai objektai Visatoje, ir turėsime langą į savo erdvę, kurio dar niekas niekada neturėjo.
Ilja Khel