Forskere bringer det videnskabelige samfund tættere på at forstå binære stjernefusioner

Forestil dig kun at kende 15 mennesker i verden, og efterhånden som du opdager flere mennesker, din viden udvides. Forskere, der studerer vores galakse, står over for noget lignende, mens de gør opdagelser, der bygger vores forståelse af universet.

Maura McLaughlin og Duncan Lorimer, professorer i fysik og astronomi ved West Virginia University, har opdaget et nyt par pulsarer og har fulgt op på karakteristika for en anden ny duo. Deres forskning vil bringe indsigt i forståelsen af, hvor mange af disse systemer der findes, og den hastighed, hvormed de smelter sammen i vores galakse.

Spindoktorer

Pulsarer er hurtigt roterende neutronstjerner, resterne af massive stjerner, der er eksploderet som supernovaer.

Når to pulsarer kredser om hinanden, deres baner kan være meget elliptiske, meget som Merkurs bane omkring solen, men tyngdekraftens tiltrækning mellem de to massive objekter trækker dem gradvist tættere på, indtil de smelter sammen. Kollisionen er så enorm, at den sender krusninger gennem rum og tid.

"Disse pulsarer bevæger sig meget hurtigt rundt om hinanden, " sagde Lorimer. "Så hurtigt, faktisk, at de begynder at teste vores forståelse af tyngdekraften."

Kosmisk folketælling

Der er 2, 500 pulsarer af alle typer i Mælkevejen, men blandt dem, binære systemer findes sjældent. Forskere har opdaget kun 15, men de tror, ​​at der kan være så mange som 100, 000.

McLaughlin og samarbejdspartnere fra universiteter i USA og i udlandet opdagede et nyt binært system i en langtidsundersøgelse ved hjælp af Arecibo Observatory i Puerto Rico.

"Opdagelsen af ​​dobbeltneutronstjerner, der kredser om hinanden, er vigtig, " sagde McLaughlin. "Men vores opdagelse er også ekstrem i den forstand, at den har en kort omløbsperiode, gør det potentielt spændende for tyngdekraftsprøver."

Den binære bane for denne opdagelse er 1,88 timer. Dette er den korteste bane for ethvert dobbelt neutronstjernesystem.

Ved at observere binære systemer, forskere opnår forståelse for ekstremer – såsom tætheder og magnetiske styrker – der ikke forekommer på Jorden. Denne nye opdagelse giver en ny forståelse af Einsteins relativitetsteori og forståelsen af ​​tyngdekraften generelt.

Massiv fusion

I nogle tilfælde, neutronstjerner i binære systemer er så langt fra hinanden, at de ikke smelter sammen og vil ikke ændre sig væsentligt i adskillelse over tid. Men i seks af systemerne pulsarerne bevæger sig så hurtigt, og deres gravitationstiltrækning er så stærk, at de til sidst vil smelte sammen.

"De nærmer sig hinanden meget gradvist, et par millimeter om dagen mellem hver af dem." Lorimer sagde. "Det betyder, at 100 millioner år fra nu – hvilket ikke er lang tid fra en astronoms perspektiv – vil de kollidere."

Så, hvad er resultatet af at to neutronstjerner smelter sammen?

Sammenlægningen af ​​disse to massive, tætte genstande er lige så spektakulære, som de er voldelige. Efterhånden som deres kredsløb bliver strammere, de ender med at rive hinanden fra hinanden, miste energi, der udsendes i form af gravitationsbølger.

Sidste efterår, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kendt som LIGO, direkte detekterede gravitationsbølger fra en kollision af to neutronstjerner placeret uden for Mælkevejen.

Sean McWilliams, assisterende professor i fysik og astronomi, og Zachariah Etienne, adjunkt i matematik, og flere WVU-kandidatstuderende er en del af LIGO-forskerteamet.

Ved at observere kollisionen af ​​neutronstjernerne, forskerne kan forstå, hvor ekstremt stof, ekstrem tyngdekraft og elektromagnetisk energi interagerer med hinanden.

"De binære systemer, som videnskabsmænd opdager i Mælkevejen, er prototyper af disse voldelige fusioner, som instrumenter som LIGO opdager ud over vores galakse, " sagde Lorimer. "Der er meget, vi kan lære af det."

En anden slags teleskop

Pulsarer er ekstremt tætte, og mens de snurrer, de udsender stråler af radiobølger, der fejer gennem rummet, meget som signaler fra et fyrtårn.

Forskere bruger radioteleskoper, som er ekstremt følsomme videnskabelige instrumenter til at detektere den elektromagnetiske stråling fra dybt i rummet.

I de indledende data, der er lille forskel mellem almindelige pulsarer og binære systemer. Men der er antydninger i målingerne af rotationsperioden.

"I et binært system, du ser typisk ikke begge pulsarer, fordi normalt kun én peger mod teleskopet, " sagde Lorimer. "Men du ser en spin-periode, der typisk er meget mindre end en gennemsnitlig pulsar og er hurtigt varierende på grund af Doppler-skift og neutronstjernerne kredser om hinanden."

I Arecibo-undersøgelsen, teleskopet brugte syv kameraer til systematisk at observere forskellige pletter af himlen på givne tidspunkter, lader instrumentet dække mere himmel end normalt. Over næsten 15 år, undersøgelsen har påvist 170 pulsarer.

McLaughlin, Lorimer, og WVU kandidatstuderende Nihan Pol fulgte op på et andet nyt binært system lavet af forskere ved Max Planck Institute for Radio Astronomy i Tyskland, der brugte undersøgelsesdata fra Parkes Telescope i Australien.

Forskere udfører opfølgende forskning med hver pulsar, men da forskere fra Max Planck Instituttet hurtigt indså, at de havde opdaget et nyt binært system, de ønskede at foretage mere dybtgående målinger.

McLaughlin og Lorimer brugte data fra Green Bank Telescope til at bestemme systemets omtrentlige parametre, såsom dens kredsløbshastighed, ankomsttider og forfald.

"Vi er nødt til at lave systematiske opfølgende observationer og forsøge at forstå så meget, som vi kan måle om disse objekter. Til sidst vil vi se ændringer eller signaler, der hjælper os med at kortlægge kredsløbet, " sagde Lorimer. "Det er en langsigtet proces. Det tager omkring et år at adskille virkningerne af Jordens kredsløb."

Ser fremad (og op)

Begge systemer giver os nu ny indsigt i den hastighed, hvormed dobbeltneutronstjerner smelter sammen.

Systemet, der blev opdaget med Arecibo-observatoriet, er i en meget cirkulær bane, mens systemet, der blev opdaget med Parkes-teleskopet, er i en meget excentrisk, oval bane. At vide om deres egenskaber, og egenskaberne ved andre systemer, giver bedre begrænsninger i forskernes forståelse af fusionsraten i Mælkevejen.

McLaughlin, Nihan Pol, og Lorimer bruger denne information til at lave forudsigelser om den forventede hastighed for detektion af gravitationsbølger fra dobbeltneutronstjernefusioner i det lokale univers med LIGO.

Deres estimater viser, at LIGO skulle opdage mange flere dobbeltneutronstjernefusioner i løbet af de næste mange år. "Dette vil give os et komplementært billede af disse energiske begivenheder både i elektromagnetiske og gravitationsbølger og også give os endnu mere indsigt i, hvordan ekstrem tyngdekraft virker", sagde McLaughlin.