Forskere fremmer detektion af gravitationsbølger for at studere kollisioner af neutronstjerner og sorte huller

Forskere ved University of Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering var med til at lede en ny undersøgelse af et internationalt hold, der vil forbedre detektionen af ​​gravitationsbølger – krusninger i rum og tid.

Forskningen sigter mod at sende advarsler til astronomer og astrofysikere inden for 30 sekunder efter detektionen, hvilket hjælper med at forbedre forståelsen af ​​neutronstjerner og sorte huller, og hvordan tunge grundstoffer, herunder guld og uran, produceres.

Artiklen, med titlen "Low-latency gravitationsbølge-alarmprodukter og deres ydeevne på tidspunktet for den fjerde LIGO-Virgo-KAGRA observation run," blev for nylig offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Gravitationsbølger interagerer med rumtiden ved at komprimere den i én retning, mens den strækkes i den vinkelrette retning. Det er grunden til, at de nuværende avancerede gravitationsbølgedetektorer er L-formede og måler de relative længder af laseren ved hjælp af interferometri, en målemetode, der ser på interferensmønstrene frembragt af kombinationen af ​​to lyskilder.

Detektering af gravitationsbølger kræver måling af laserens længde til præcise mål:svarende til måling af afstanden til den nærmeste stjerne, omkring fire lysår væk, ned til bredden af ​​et menneskehår.

Denne forskning er en del af LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) Collaboration, et netværk af gravitationsbølgeinterferometre over hele verden.

I den seneste simuleringskampagne blev der brugt data fra tidligere observationsperioder, og simulerede gravitationsbølgesignaler blev tilføjet for at vise ydeevnen af ​​software- og udstyrsopgraderingerne. Softwaren kan registrere formen af ​​signaler, spore, hvordan signalet opfører sig, og estimere, hvilke masser der er inkluderet i begivenheden, som neutronstjerner eller sorte huller. Neutronstjerner er de mindste, mest tætte stjerner, der er kendt for at eksistere og dannes, når massive stjerner eksploderer i supernovaer.

Når denne software registrerer et gravitationsbølgesignal, sender den advarsler til abonnenter, som normalt omfatter astronomer eller astrofysikere, for at kommunikere, hvor signalet var placeret på himlen. Med opgraderingerne i denne observationsperiode er videnskabsmænd i stand til at sende advarsler hurtigere, under 30 sekunder, efter detektering af en gravitationsbølge.

"Med denne software kan vi detektere gravitationsbølgen fra kollisioner med neutronstjerner, der normalt er for svage til at se, medmindre vi ved præcis, hvor vi skal kigge," sagde Andrew Toivonen, en ph.d. studerende ved University of Minnesota Twin Cities School of Physics and Astronomy.

"At detektere gravitationsbølgerne først vil hjælpe med at lokalisere kollisionen og hjælpe astronomer og astrofysikere med at fuldføre yderligere forskning."

Astronomer og astrofysikere kunne bruge disse oplysninger til at forstå, hvordan neutronstjerner opfører sig, studere nukleare reaktioner mellem neutronstjerner og sorte huller, der kolliderer, og hvordan tunge grundstoffer, herunder guld og uran, produceres.

Dette er den fjerde observationskørsel ved hjælp af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), og den vil observere til februar 2025. I mellem de sidste tre observationsperioder har videnskabsmænd foretaget forbedringer til detektion af signaler. Når dette observationsforløb er afsluttet, vil forskerne fortsætte med at se på dataene og foretage yderligere forbedringer med det mål at udsende advarsler endnu hurtigere.

Det multi-institutionelle papir omfattede Michael Coughlin, assisterende professor for School of Physics and Astronomy ved University of Minnesota foruden Toivonen.

Flere oplysninger: Sushant Sharma Chaudhary et al., Gravitationsbølgevarslingsprodukter med lav latens og deres ydeevne på tidspunktet for den fjerde LIGO-Virgo-KAGRA-observationskørsel, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316474121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Minnesota