Martin Rees je jednom rekao: „Postaje jasno da prostor u određenom smislu pruža jedini laboratorij koji uspješno stvara ekstremne uvjete za testiranje novih ideja iz fizike čestica. Energije Velikog praska bile su mnogo veće nego što možemo postići na Zemlji. Dakle, u potrazi za dokazima Velikog praska i proučavanju stvari poput neutronskih zvijezda, mi zapravo proučavamo fundamentalnu fiziku."
Ako postoji jedna značajna razlika između opće relativnosti i newtonske gravitacije, to je ovo: u Einsteinovoj teoriji ništa ne traje vječno. Čak i kada biste imali dvije apsolutno stabilne mase koje su se kretale oko njih - mase koje nikada neće izgorjeti, izgubiti materijal ili se promijeniti - njihove orbite bi postupno propadale. A ako se u njujtonskoj gravitaciji dvije mase okreću oko zajedničkog težišta zauvijek, opća relativnost govori nam da se mala količina energije izgubi svaki put kada se masa ubrzava gravitacijskim poljem kroz koje prolazi. Ta energija ne nestaje, već se prenosi u obliku gravitacijskih valova. Tijekom dovoljno dugog vremena zračit će dovoljno energije da se dvije rotirajuće mase dodiruju jedna s drugom i spajaju. LIGO je to već tri puta promatrao s crnim rupama. No možda je vrijeme da napravite sljedeći korak i vidimo prvo spajanje neutronskih zvijezda, kaže Ethan Siegel iz tvrtke Medium.com.
Svaka masa koja je uhvaćena u ovom gravitacijskom plesu emitirat će gravitacijske valove, uzrokujući narušavanje orbite. Tri su razloga zbog kojih je LIGO otkrio crne rupe:
1. Nevjerojatno su masivni
2. Oni su najkompaktniji objekti u svemiru
3. U posljednjem trenutku spajanja rotirali su se ispravnom frekvencijom kako bi ih se LIGO laserskim krakovima moglo učvrstiti
Sve to zajedno - velike mase, kratke udaljenosti i pravi frekvencijski raspon - daju LIGO timu ogromno područje pretraživanja u kojem mogu uhvatiti za spajanje crne rupe. Oduzimanje ovih masivnih plesova proteže se tijekom mnogih milijardi svjetlosnih godina i čak doseže Zemlju.
Promotivni video:
Iako crne rupe moraju imati akrecijski disk, elektromagnetski signali koje bi crne rupe trebali generirati ostaju neuhvatljivi. Ako je prisutan elektromagnetski dio pojava, moraju ga proizvesti neutronske zvijezde.
Svemir ima mnogo drugih zanimljivih objekata koji proizvode velike gravitacijske valove. Supermasivne crne rupe u centrima galaksija stalno jedu plinske oblake, planete, asteroide, pa čak i druge zvijezde i crne rupe. Nažalost, budući da su im događaji tako ogromni, oni se kreću vrlo polako u orbiti i odašilju pogrešan frekvencijski raspon da LIGO prepozna. Bijeli patuljci, binarne zvijezde i drugi planetarni sustavi imaju isti problem: ti su objekti fizički preveliki i stoga su u orbiti predugo. Toliko dugo da bi nam trebao prostorni opservatorij gravitacijskih valova da bismo ih vidjeli. No postoji još jedna nada koja ima pravu kombinaciju karakteristika (masa, kompaktnost, prava frekvencija) koje će vidjeti LIGO: spajanje neutronskih zvijezda.
Kako se dvije neutronske zvijezde međusobno orbitiraju, Einsteinova opća teorija relativnosti predviđa orbitalno propadanje i gravitacijsko zračenje. U posljednjoj fazi spajanja - koja nikada nije viđena u gravitacijskim valovima - amplituda će biti na vrhuncu i LIGO će moći otkriti događaj.
Neutronske zvijezde nisu tako masivne kao crne rupe, ali vjerojatno mogu biti dva do tri puta masivnije od Sunca: oko 10-20% mase prethodno otkrivenih LIGO događaja. Gotovo su kompaktne poput crnih rupa, fizičke veličine u radijusu od samo deset kilometara. Unatoč činjenici da se crne rupe urušavaju u singularnost, one imaju horizont događaja, a fizička veličina neutronske zvijezde (u osnovi samo ogromno atomsko jezgro) nije mnogo veća od horizonta događaja crne rupe. Njihova učestalost, posebno u posljednjih nekoliko sekundi spajanja, izvrsna je za LIGO osjetljivost. Ako se događaj dogodi na pravom mjestu, možemo saznati pet nevjerojatnih činjenica.
Tijekom spiralnog uvijanja i spajanja dviju neutronskih zvijezda mora se osloboditi ogromna količina energije, kao i teški elementi, gravitacijski valovi i elektromagnetski signal, kao što je prikazano na slici.
Stvaraju li zaista neutronske zvijezde gama zrake?
Postoji zanimljiva ideja: da su kratki gama zraci, koji su nevjerojatno energični, ali traju manje od dvije sekunde, uzrokovani spajanjem neutronskih zvijezda. Oni potječu od starih galaksija u regijama u kojima se ne rađaju nove zvijezde, što znači da ih mogu objasniti samo zvjezdani leševi. No dok ne znamo kako izgleda pucanje kratkog gama, ne možemo biti sigurni što ih uzrokuje. Ako LIGO može otkriti spajanje neutronskih zvijezda iz gravitacijskih valova, a vidimo da se odmah nakon toga može razbiti kratki gama zrak, to će biti konačna potvrda jedne od najzanimljivijih ideja astrofizike.
Dvije neutronske zvijezde koje se spajaju, kako je ovdje prikazano, vrte se i emitiraju gravitacijske valove, ali ih je teže detektirati nego crne rupe. Međutim, za razliku od crnih rupa, oni moraju izbaciti dio svoje mase natrag u Svemir, gdje će tamo dati svoj doprinos u obliku teških elemenata.
Kad se neutronske zvijezde sudaraju, koliki dio njihove mase ne postaje crna rupa?
Kad pogledate teške elemente na periodičnoj tablici i pitate se kako su nastali, super nam pada na pamet. Uostalom, ovu priču drže astronomi i djelomično je istinita. Ali većina teških elemenata na periodičnoj tablici su živa, zlato, volfram, olovo itd. - zapravo rođeni u sudarima neutronskih zvijezda. Većina mase neutronskih zvijezda, redom od 90-95%, ide u stvaranje crne rupe u središtu, ali se preostali vanjski slojevi bacaju, tvoreći većinu tih elemenata u našoj galaksiji. Vrijedi napomenuti da ako kombinirana masa dviju neutronskih zvijezda padne ispod određenog praga, oni će tvoriti neutronsku zvijezdu, a ne crnu rupu. To je rijetko, ali nije nemoguće. I ne znamo točno koliko se masa bacilo tijekom takvog događaja. Ako LIGO registrira takav događaj, saznat ćemo.
To ilustrira raspon Advanced LIGO i njegovu sposobnost otkrivanja spajanja crnih rupa. Spajanje neutronskih zvijezda može pasti samo u jednu desetinu raspona i imati 0,1% uobičajenog volumena, ali ako postoji mnogo neutronskih zvijezda, LIGO će pronaći.
Koliko daleko LIGO može vidjeti spajanje neutronskih zvijezda?
Ovo pitanje nije o samom svemiru, već o tome koliko je LIGO dizajn osjetljiv. U slučaju svjetlosti, ako je objekt udaljen 10 puta, on će biti 100 puta zatamnjeni; ali s gravitacijskim valovima, ako je objekt 10 puta udaljeniji, signal gravitacijskog vala bit će samo 10 puta slabiji. LIGO može promatrati crne rupe udaljene više milijuna svjetlosnih godina, ali neutronske zvijezde će biti vidljive samo ako se spoje u obližnje galaktičke nakupine. Ako vidimo takvo spajanje, možemo provjeriti koliko je naš hardver dobar ili koliko treba biti.
Kad se dvije neutronske zvijezde spoje, kao što je ovdje prikazano, one bi trebale stvoriti gama-zrake, kao i druge elektromagnetske pojave koje će, ako se Zemlja nalazi blizu, primijetiti naši najbolji opservatoriji.
Kakav naknadni sjaj ostaje nakon spajanja neutronskih zvijezda?
Znamo da su se u nekim slučajevima dogodili snažni događaji koji odgovaraju sudaranju neutronskih zvijezda i da ostavljaju potpise u drugim elektromagnetskim pojasevima. Uz gama zrake mogu biti ultraljubičaste, optičke, infracrvene ili radio komponente. Ili bi to mogla biti multipektralna komponenta koja se pojavljuje u svih pet bendova, tim redoslijedom. Kad LIGO otkrije spajanje neutronskih zvijezda, mogli bismo zabilježiti jednu od najneobičnijih pojava prirode.
Neutronska zvijezda, iako sastavljena od neutralnih čestica, proizvodi najjača magnetska polja u svemiru. Kad se neutronske zvijezde spoje, one bi trebale proizvesti i gravitacijske valove i elektromagnetske potpise.
Prvi put ćemo moći kombinirati gravitacijsko-valnu astronomiju s tradicionalnom
Prethodni događaji koje je snimio LIGO bili su impresivni, ali nismo imali prilike promatrati ta spajanja putem teleskopa. Neizbježno smo se suočili s dva čimbenika:
- Položaj događaja u načelu se ne može precizno odrediti samo sa dva detektora
- Spajanje crnih rupa nema svijetlu elektromagnetsku (svjetlosnu) komponentu
Sada kada VIRGO radi sinkronizirano s dva LIGO detektora, možemo dramatično poboljšati naše razumijevanje gdje se ovi gravitacijski valovi generiraju u svemiru. Ali što je još važnije, budući da spajanje neutronskih zvijezda mora imati elektromagnetsku komponentu, to bi moglo značiti da će se prvi put astronomija gravitacijskog vala i tradicionalna astronomija koristiti zajedno za promatranje istog događaja u svemiru!
Spiralno uvijanje i spajanje dviju neutronskih zvijezda, kao što je ovdje prikazano, trebalo bi rezultirati specifičnim gravitacijskim valnim signalom. Također, trenutak fuzije mora stvoriti elektromagnetsko zračenje, jedinstveno i prepoznatljivo u sebi.
Već smo ušli u novu eru astronomije, gdje koristimo ne samo teleskope, već i interferometre. Mi koristimo ne samo svjetlosne, već i gravitacijske valove kako bismo vidjeli i razumjeli svemir. Ako se u LIGO pojavi spajanje neutronskih zvijezda, čak i ako je rijetko, a stopa otkrivanja je niska, prijeći ćemo sljedeću granicu. Gravitacijsko nebo i nebo svjetla više neće biti tuđi jedni drugima. Bit ćemo jedan korak bliže razumijevanju kako djeluju najekstremniji objekti u Svemiru i imat ćemo prozor u naš prostor kakav nitko prije nije imao.
Ilya Khel