Astronomer søger efter røntgenvejskilte for flygtige kontinuerlige gravitationsbølger

I de sidste par år har astronomer opnået en utrolig milepæl:opdagelsen af ​​gravitationsbølger, forsvindende svage krusninger i rummets og tidens struktur, der stammer fra nogle af de mest katastrofale begivenheder i universet, herunder kollisioner mellem sorte huller og neutronstjerner. Indtil videre har der været over 90 gravitationsbølgedetekteringer af sådanne hændelser, observerbare i kun ~0,1 til 100 sekunder. Der kan dog være andre kilder til gravitationsbølger, og astronomer er stadig på jagt efter kontinuerlige gravitationsbølger.

Kontinuerlige gravitationsbølger burde være lettere at detektere, da de er meget længere i varighed sammenlignet med signaler fra kollisioner med kompakte objekter. Neutronstjerner er en mulig kilde til kontinuerlige bølger. Disse er stjernernes "lig" tilovers fra supernovaeksplosioner af massive stjerner. Efter den første eksplosion kollapser stjernen i sig selv og knuser atomer ned til en supertæt kugle af subatomære partikler kaldet neutroner - deraf navnet neutronstjerne. Det kontinuerlige bølgesignal er relateret til, hvor hurtigt neutronstjernen snurrer, så præcise målinger af spin-frekvensen ved hjælp af mere konventionelle teleskoper ville i høj grad forbedre chancen for at opdage disse undvigende bølger.

I en nylig månedlig meddelelse fra Royal Astronomical Society undersøgelse, ledet af OzGrav Ph.D. studerende Shanika Galaudage fra Monash University, videnskabsmænd havde til formål at bestemme neutronstjerners spin-frekvenser for at hjælpe med at detektere kontinuerlige gravitationsbølger.

Mulige kilder til kontinuerlige gravitationsbølger

I denne undersøgelse antog forskere, at kontinuerlige gravitationsbølger indirekte kommer fra den gradvise ophobning af stof på en neutronstjerne fra en ledsagerstjerne med lav masse – disse binære systemer af en neutronstjerne og en ledsagerstjerne kaldes lavmasse røntgenbinære (LMXBs) ).

Hvis neutronstjernen kan opretholde et akkumuleret "bjerg" af stof (selv om det kun er et par centimeter i højden.), vil den producere kontinuerlige bølger. Frekvensen af ​​disse bølger relaterer sig til, hvor hurtigt neutronstjernen snurrer. Jo hurtigere dette stof akkumuleres, jo større er "bjerget", der producerer større kontinuerlige bølger. Systemer, der akkumulerer dette stof hurtigere, er også lysere i røntgenlys. Derfor er de lyseste LMXB'er de mest lovende mål til at detektere kontinuerlige bølger.

Scorpius X-1 (Sco X-1) og Cygnus X-1 (Cyg X-2) er to af de lyseste LMXB-systemer – Scor X-1 ligger på andenpladsen i røntgenlysstyrke sammenlignet med Solen. Ud over deres ekstreme lysstyrke ved forskerne meget om disse to LMXB-systemer, hvilket gør dem til ideelle kilder til kontinuerlige bølger at studere. Men deres spin-frekvenser er stadig ukendte.

"En måde, hvorpå vi kan bestemme, hvor hurtigt disse neutronstjerner snurrer, er ved at søge efter røntgenpulseringer," siger studieleder Shanika Galaudage. "Røntgenpulseringer fra neutronstjerner er som kosmiske fyrtårne. Hvis vi kan time pulsen, ville vi straks være i stand til at afsløre deres spin-frekvens og komme tættere på at detektere det kontinuerlige gravitationsbølgesignal."

"Sco X-1 er en af ​​de bedste udsigter, vi har til at lave en første detektering af kontinuerlige gravitationsbølger, men det er et meget svært dataanalyseproblem," siger OzGrav-forsker og studiemedforfatter Karl Wette, fra The Australian National University. "At finde en spin-frekvens i røntgendataene ville være som at sætte fokus på gravitationsbølgedataene:'her, det er her, vi skal lede." Sco X-1 ville da være en rødglødende favorit til at detektere kontinuerlige gravitationsbølger."

Søger efter røntgenpulseringer

Holdet udførte en søgning efter røntgenpulseringer fra Sco X-1 og Cyg X-2. De behandlede over 1000 timers røntgendata indsamlet af Rossi X-ray Timing Explorer-instrumentet. Søgningen brugte i alt ~500 timers beregningstid på OzSTAR-supercomputeren.

Desværre fandt undersøgelsen ikke noget klart bevis for pulseringer fra disse LMXB-kilder. Der er en række grunde til, at dette kan være:LMXB kan have svage magnetiske felter, som ikke er kraftige nok til at understøtte detekterbare pulseringer. Eller det kan være, at pulseringerne kommer og går over tid, hvilket ville gøre dem svære at opdage. I tilfældet med Sco X-1 kan det muligvis være et sort hul, som vi ikke ville forvente ville producere røntgenpulseringer.

Undersøgelsen finder de bedste grænser for, hvor lyse disse røntgenpulseringer kunne være, hvis de opstod; disse resultater kan betyde, at neutronstjerner ikke kan opretholde bjerge af stof under dens stærke tyngdekraft. Fremtidig forskning kan bygge videre på denne undersøgelse ved at anvende bedre søgeteknikker og mere følsomme data. + Udforsk yderligere

Kontinuerlige gravitationsbølger i røntgenstjernesystemer – søgningen fortsætter