Ny forskning foreslår en innovativ metode til at analysere de tætteste stjernesystemer i universet

I en nyligt offentliggjort undersøgelse, et team af forskere ledet af ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) ved Monash University foreslår en innovativ metode til at analysere gravitationsbølger fra neutronstjernefusioner, hvor to stjerner skelnes efter type (snarere end masse), afhængig af hvor hurtigt de drejer.

Neutronstjerner er ekstremt tætte stjerneobjekter, der dannes, når kæmpestjerner eksploderer og dør - i eksplosionen, deres kerner kollapser, og protonerne og elektronerne smelter ind i hinanden og danner en rest neutronstjerne.

I 2017 sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner, kaldet GW170817, blev først observeret af LIGO og Jomfruens gravitationsbølgedetektorer. Denne fusion er velkendt, fordi videnskabsmænd også var i stand til at se lys produceret fra den:højenergiske gammastråler, synligt lys, og mikrobølger. Siden da, Der er i gennemsnit offentliggjort tre videnskabelige undersøgelser af GW170817 hver dag.

I januar i år, LIGO- og Jomfru-samarbejdet annoncerede en anden neutronstjernefusionsbegivenhed kaldet GW190425. Selvom der ikke blev registreret lys, denne begivenhed er særligt spændende, fordi de to fusionerende neutronstjerner er betydeligt tungere end GW170817, samt tidligere kendte dobbeltneutronstjerner i Mælkevejen.

Forskere bruger gravitationsbølgesignaler - krusninger i rummets og tidens stof - til at detektere par neutronstjerner og måle deres masser. Den tungere neutronstjerne i parret kaldes den 'primære'; den lettere er 'sekundær'.

Det genbrugte-langsomme mærkningsskema for et binært neutronstjernesystem

Et binært neutronstjernesystem starter normalt med to almindelige stjerner, hver omkring ti til tyve gange mere massiv end Solen. Når disse massive stjerner ældes og løber tør for "brændstof", deres liv ender i supernovaeksplosioner, der efterlader kompakte rester, eller neutronstjerner. Hver resterende neutronstjerne vejer omkring 1,4 gange Solens masse, men har en diameter på kun 25 kilometer.

Den førstefødte neutronstjerne gennemgår normalt en 'genbrugsproces':den akkumulerer stof fra sin parrede stjerne og begynder at snurre hurtigere. Den andenfødte neutronstjerne akkumulerer ikke stof; dens centrifugeringshastighed sænkes også hurtigt. På det tidspunkt, hvor de to neutronstjerner smelter sammen - millioner til milliarder af år senere - er det forudsagt, at genbruges neutronstjerne kan stadig snurre hurtigt, hvorimod den anden ikke-genanvendte neutronstjerne sandsynligvis vil snurre langsomt .

En anden måde, hvorpå et binært neutronstjernesystem kan dannes, er gennem kontinuerligt skiftende interaktioner i tætte stjernehobe. I dette scenarie, to ikke-relaterede neutronstjerner, på egen hånd eller i andre separate stjernesystemer, Møde hinanden, parre sig og til sidst smelte sammen som et lykkeligt par på grund af deres gravitationsbølger. Imidlertid, nuværende modellering af stjernehobe tyder på, at dette scenarie er ineffektivt til at fusionere neutronstjernerne.

OzGrav postdoc-forsker og hovedforfatter af undersøgelsen Xingjiang Zhu siger:'Motivationen for at foreslå genbrugs-langsom mærkning af et binært neutronstjernesystem er dobbelt. Først, det er en generisk funktion, der forventes for neutronstjernefusioner. Sekund, det kan være utilstrækkeligt at mærke to neutronstjerner som primære og sekundære, fordi de højst sandsynligt har samme masse, og det er svært at sige, hvilken der er tungest."

Den nylige OzGrav-undersøgelse tager et nyt kig på både GW170817 og GW190425 ved at vedtage genbrugs-langsom-ordningen. Det blev konstateret, at den genbrugte neutronstjerne i GW170817 kun spinder mildt eller endda langsomt, der henviser til, at den for GW190425 snurrer hurtigt, muligvis en gang hvert 15. millisekund. Det blev også fundet, at begge fusionsbegivenheder sandsynligvis vil indeholde to næsten lige store neutronstjerner. Da der er få eller ingen tegn på spin i GW170817, og neutronstjerner spinner ned over tid, forskerne udledte, at det binære formentlig tog milliarder af år at smelte sammen. Dette stemmer godt overens med observationer af dens værtsgalakse, kaldet NGC 4993, hvor der er fundet små stjernedannelsesaktiviteter i de seneste milliarder af år.

OzGrav associeret efterforsker og samarbejdspartner Gregory Ashton siger:"Vores foreslåede astrofysiske ramme vil give os mulighed for at besvare vigtige spørgsmål om universet, såsom er der forskellige supernovaeksplosionsmekanismer i dannelsen af ​​binære neutronstjerner? Og i hvilken grad bidrager interaktioner inde i tætte stjernehobe til at danne neutronstjernefusioner?"

LIGO/Virgo-detektorerne afsluttede deres fælles tredje observationskørsel (O3) tidligere på året og udfører i øjeblikket planlagt vedligeholdelse og opgraderinger. Når den fjerde kørsel (O4) starter i 2021, videnskabsmænd vil let forudse flere opdagelser af neutronstjernefusioner. Udsigten vil være endnu lysere, når den japanske underjordiske detektor KAGRA og LIGO-India-detektoren slutter sig til det globale netværk i løbet af de kommende år.

'Vi er i en gylden æra med at studere binære neutronstjerner med meget følsomme gravitationsbølgedetektorer, der vil levere snesevis af opdagelser i de næste par år, tilføjer Zhu.