Kontinuerlige gravitationsbølger i røntgenstjernesystemer - søgningen fortsætter

Gravitationsbølger er krusninger i rum-tid, der kommer i mange former. Indtil nu, kortvarige gravitationsbølgesignaler er blevet observeret fra kolliderende sorte huller og kolliderende neutronstjerner, men forskerne forventer at finde andre former for gravitationsbølger. Nylig offentliggjort forskning ledet af ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) undersøgte kontinuerlige bølger:langvarige gravitationsbølger, i dette særlige tilfælde, bølger fra neutronstjerner – gamle døde stjerner – i specifikke stjernesystemer kaldet lavmasse røntgenbinære. Gravitationsbølgedetektorer LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) og Jomfruen giver fremragende data til at søge efter kontinuerlige bølger, da deres signaler sandsynligvis vil være til stede i detektordataene hele tiden (sammenlignet med gravitationsbølger fra kolliderende sorte huller, som kun varer et sekund eller deromkring).

Neutronstjerner, som typisk er omkring halvanden gange vores sols masse, er meget kompakte med kun 20 km på tværs. Nogle neutronstjerner er alene, mens andre er i binære systemer - neutronstjernen og en ledsagerstjerne kredser om hinanden. OzGrav-teamet fokuserede på at lede efter kontinuerlige bølger fra snurrende neutronstjerner i "lavmasse røntgenbinærer" (LMXB'er). Lav masse beskriver neutronstjernens følgesvend, som typisk har en lavere masse end vores sol; de kaldes røntgenbinære, fordi videnskabsmænd har observeret røntgenstråler fra dem ved hjælp af røntgenteleskoper.

I undersøgelsen, holdet søgte efter kontinuerlige bølger fra snurrende neutronstjerner ved direkte at målrette fem LMXB'er, hvilket er den første for disse fem LMXB'er. Alle de målrettede LMXB'er har røntgenobservationer, som indikerer, hvor hurtigt neutronstjernen snurrer:dens rotationsfrekvens. Dette er yderst nyttig information, når du søger efter kontinuerlige bølger, da det forventes, at frekvensen af ​​den kontinuerlige bølge er relateret til neutronstjernens rotationsfrekvens. Dette gjorde det muligt for teamet at søge efter hver LMXB inden for et specifikt frekvensområde.

Hovedforfatter og OzGrav-forsker Hannah Middleton fra University of Melbourne siger:"Vi brugte en søgemetode, udviklet af forskere ved University of Melbourne, som tidligere blev brugt til at søge efter en anden LMXB kaldet Scorpius X-1. Scorpius X-1 er en lovende kontinuerlig bølgekilde, fordi dens røntgenstråler er meget lyse, men røntgenobservationerne var ude af stand til at måle Scorpius X-1's rotationsfrekvens. Det betyder, at der skal ses på en lang række frekvenser. Ved at drage fordel af røntgenmålingerne af rotationsfrekvens for vores fem LMXB'er, vi kan reducere de beregningsmæssige omkostninger ved søgningen, nogle gange med så meget som 99 procent."

Men at kende rotationsfrekvensen er ikke helt nok:den kontinuerlige bølgefrekvens svarer måske ikke til rotationsfrekvensen, så holdet søgte efter små frekvensområder omkring de målte værdier.

"Den kontinuerlige bølgefrekvens kan endda ændre sig langsomt over tid, så vi skal være i stand til at spore det over mange måneders data, " tilføjer Middleton. "Søgningen bruger en teknik kaldet en skjult Markov-model, som er meget brugt i applikationer fra talegenkendelse til kommunikationsteknologier. Den resulterende søgning kan holde styr på et signal, selvom frekvensen ændrer sig uforudsigeligt under en observation."

Så hvad fandt forskerne ud af? Efter at have analyseret data fra den anden observationskørsel (over 200 dage mellem november 2016 og august 2017), Desværre fandt de ikke stærke beviser for kontinuerlige bølgesignaler fra disse fem LMXB'er. Men eftersøgningen fortsætter! LIGO og Jomfruens tredje observationsløb (fra april 2019 til marts 2020) er netop afsluttet, så OzGrav-forskerne har masser af dataanalyse og stjernesøgning at sætte tænderne i.