Martins Rīss reiz teica: “Kļūst skaidrs, ka zināmā mērā kosmoss ir vienīgā laboratorija, kas veiksmīgi rada ekstremālos apstākļus, lai pārbaudītu jaunas idejas no daļiņu fizikas. Lielā sprādziena enerģijas bija daudz augstākas nekā mēs varam sasniegt uz Zemes. Tātad, meklējot pierādījumus par Lielo sprādzienu un pētot tādas lietas kā neitronu zvaigznes, mēs faktiski studējam fundamentālo fiziku."
Ja pastāv viena būtiska atšķirība starp vispārējo relativitāti un ņūtonisko gravitāciju, tā ir šāda: Einšteina teorijā nekas neturpinās mūžīgi. Pat ja jums būtu divas absolūti stabilas masas, kas riņķo viena otrai apkārt - masas, kas nekad nedeg, nezaudē materiālu un nemainās, to orbītas pakāpeniski sabruks. Un, ja Ņūtona gravitācijā divas masas uz visiem laikiem griežas ap kopēju smaguma centru, vispārējā relativitāte mums saka, ka katru reizi, kad masu paātrina gravitācijas lauks, caur kuru tā iziet, tiek zaudēts neliels enerģijas daudzums. Šī enerģija nepazūd, bet tiek izvadīta gravitācijas viļņu veidā. Pietiekami ilgā laika posmā tiks izstarots pietiekami daudz enerģijas, lai divas rotējošās masas varētu pieskarties viena otrai un saplūst. LIGO to jau trīs reizes ir novērojis ar melnajiem caurumiem. Bet, iespējams, ir laiks spert nākamo soli un redzēt pirmo neitronu zvaigžņu apvienošanos, saka Ethan Siegel no Medium.com.
Visas šajā gravitācijas dejā nozvejotās masas izstaros gravitācijas viļņus, izraisot orbītas traucējumus. Ir trīs iemesli, kāpēc LIGO atklāja melnos caurumus:
1. Viņi ir neticami masīvi
2. Tie ir viskompaktākie objekti Visumā
3. Apvienošanās pēdējā brīdī viņi pagriezās pareizajā frekvencē, lai tos varētu fiksēt ar LIGO lāzera ieročiem.
Tas viss kopā - lielas masas, nelieli attālumi un pareizais frekvenču diapazons - piešķir LIGO komandai milzīgu meklēšanas apgabalu, kurā viņi var ķerties pie melno caurumu apvienošanās. Šo masīvo deju viļņi sniedzas daudzos miljardos gaismas gadu un sasniedz pat Zemi.
Reklāmas video:
Lai arī melnajiem caurumiem ir jābūt uzlīmēšanas diskam, elektromagnētiskie signāli, ko vajadzētu radīt melnajiem caurumiem, paliek nenotverami. Ja ir parādības elektromagnētiskā daļa, tā jāražo neitronu zvaigznēm.
Visumam ir daudz citu interesantu objektu, kas rada lielus gravitācijas viļņus. Supermasīvie melnie caurumi galaktiku centros visu laiku apēd gāzes mākoņus, planētas, asteroīdus un pat citas zvaigznes un melnos caurumus. Diemžēl, tā kā viņu notikumu horizonts ir tik milzīgs, viņi ļoti lēni pārvietojas orbītā un izdala nepareizu frekvences diapazonu, kuru LIGO var atklāt. Baltajiem punduriem, binārajām zvaigznēm un citām planētu sistēmām ir tāda pati problēma: šie objekti ir fiziski pārāk lieli un tāpēc orbītā ir par garu. Tik ilgi, lai mums būtu nepieciešama gravitācijas viļņu kosmosa observatorija, lai tos redzētu. Bet ir vēl viena cerība, kurai ir pareiza īpašību kombinācija (masa, kompaktums, pareizā frekvence), ko LIGO var redzēt: neitronu zvaigznīšu apvienošana.
Tā kā divas neitronu zvaigznes riņķo viena otrai apkārt, Einšteina vispārējā relativitātes teorija paredz orbītas sabrukšanu un gravitācijas starojumu. Apvienošanās pēdējos posmos - kas vēl nekad nav bijuši redzami gravitācijas viļņos - amplitūda būs maksimālā, un LIGO varēs atklāt notikumu.
Neitronu zvaigznes nav tik masīvas kā melnie caurumi, taču tās, iespējams, var būt divas līdz trīs reizes masīvākas nekā Saule: apmēram 10-20% no iepriekš atklāto LIGO notikumu masas. Tie ir gandrīz tikpat kompakti kā melnie caurumi, un to fiziskais izmērs ir tikai desmit kilometru rādiusā. Neskatoties uz to, ka melnie caurumi sabrūk līdz singularitātei, tiem ir notikumu horizonts, un neitronu zvaigznes (pamatā tikai milzu atoma kodola) fiziskais lielums nav daudz lielāks par melnā cauruma notikumu horizontu. To biežums, it īpaši pēdējās apvienošanās sekundēs, lieliski ietekmē LIGO jutīgumu. Ja notikums notiek pareizajā vietā, mēs varam uzzināt piecus neticamus faktus.
Divu neitronu zvaigžņu spirāles sagriešanās un apvienošanās laikā ir jāatbrīvojas milzīgs enerģijas daudzums, kā arī smagie elementi, gravitācijas viļņi un elektromagnētiskais signāls, kā parādīts attēlā.
Vai neitronu zvaigznes patiešām rada gamma staru pārrāvumus?
Ir interesanta ideja: ka neitronu zvaigžņu apvienošanās dēļ īsus gamma staru pārrāvumus, kas ir neticami enerģiski, bet ilgst mazāk nekā divas sekundes. Tās rodas no vecām galaktikām reģionos, kur nedzimst jaunas zvaigznes, kas nozīmē, ka tos izskaidrot var tikai zvaigžņu līķi. Bet, kamēr mēs nezinām, kā parādās īss gamma staru pārrāvums, mēs nevaram būt pārliecināti, kas tos izraisa. Ja LIGO var noteikt neitronu zvaigžņu apvienošanos no gravitācijas viļņiem, un tūlīt pēc tam mēs varam redzēt īsu gamma staru pārrāvumu, tas būs galīgais apstiprinājums vienai no visinteresantākajām idejām astrofizikā.
Divas apvienojošās neitronu zvaigznes, kā parādīts šeit, virpuļo un izstaro gravitācijas viļņus, taču tās ir grūtāk uztveramas nekā melnos caurumus. Tomēr atšķirībā no melnajiem caurumiem viņiem daļa savas masas jāizmet atpakaļ Visumā, kur tie tur piedalīsies smago elementu veidā.
Kad neitronu zvaigznes saduras, cik liela to masa nekļūst par melno caurumu?
Kad paskatās uz periodiskā tabulas smagajiem elementiem un brīnās, kā tie radās, ienāk prātā supernova. Galu galā šo stāstu tur astronomi, un tas daļēji ir patiess. Bet lielākā daļa smago elementu periodiskajā tabulā ir dzīvsudrabs, zelts, volframs, svins utt. - faktiski dzimuši neitronu zvaigžņu sadursmēs. Lielākā neitronu zvaigžņu masas daļa, kas ir aptuveni 90-95%, iet, lai centrā izveidotu melnu caurumu, bet atlikušie ārējie slāņi tiek izstumti, veidojot lielāko daļu šo elementu mūsu galaktikā. Ir vērts atzīmēt, ka, ja divu saplūstošo neitronu zvaigžņu kopējā masa nokrītas zem noteikta sliekšņa, tās veidos neitronu zvaigzni, nevis melno caurumu. Tas notiek reti, bet ne neiespējami. Un mēs precīzi nezinām, cik liela masa tiek izmesta šāda pasākuma laikā. Ja LIGO reģistrēs šādu notikumu, mēs to uzzināsim.
Tas ilustrē Advanced LIGO klāstu un tā spēju noteikt melno caurumu apvienošanos. Apvienojošās neitronu zvaigznes var ietilpt tikai vienas desmitdaļas diapazonā un tām var būt 0,1% no parastā tilpuma, bet, ja ir daudz neitronu zvaigžņu, LIGO atradīs.
Cik tālu LIGO var redzēt neitronu zvaigžņu apvienošanos?
Šis jautājums nav par pašu Visumu, bet drīzāk par to, cik jutīga ir LIGO konstrukcija. Gaismas gadījumā, ja objekts atrodas 10 reizes tālāk, tas būs 100 reizes blāvāks; bet ar gravitācijas viļņiem, ja objekts ir 10 reizes tālāk, gravitācijas viļņu signāls būs tikai 10 reizes vājāks. LIGO var novērot melnos caurumus daudzu miljonu gaismas gadu attālumā, bet neitronu zvaigznes būs redzamas tikai tad, ja tās saliksies tuvējās galaktiku kopās. Ja mēs redzam šādu apvienošanos, mēs varam pārbaudīt, cik laba ir mūsu aparatūra vai cik labai tai vajadzētu būt.
Kad divas neitronu zvaigznes saplūst, kā parādīts šeit, tām vajadzētu radīt gamma staru strūklas, kā arī citas elektromagnētiskas parādības, kuras, ja Zeme būs tuvu, varēs pamanīt mūsu labākie observatorijas.
Kāds pēcspīdums paliek pēc neitronu zvaigžņu apvienošanās?
Mēs zinām, ka dažos gadījumos spēcīgi notikumi, kas atbilst neitronu zvaigžņu sadursmēm, jau ir notikuši un ka tie atstāj parakstus citās elektromagnētiskās joslās. Papildus gamma stariem var būt arī ultravioletie, optiskie, infrasarkanie vai radio komponenti. Vai arī tas varētu būt multispektrāls komponents, kas parādās visās piecās joslās tādā secībā. Kad LIGO atklāj neitronu zvaigznīšu apvienošanos, mēs varētu uztvert vienu no dabas pārsteidzošākajām parādībām.
Neitronu zvaigzne, lai arī sastāv no neitrālām daļiņām, rada visspēcīgākos Visuma magnētiskos laukus. Kad neitronu zvaigznes saplūst, tām vajadzētu radīt gan gravitācijas viļņus, gan elektromagnētiskos parakstus.
Pirmoreiz gravitācijas viļņu astronomiju varēsim apvienot ar tradicionālo
Iepriekšējie notikumi, ko uzņēmās LIGO, bija iespaidīgi, taču mums nav bijusi iespēja novērot šīs apvienošanās ar teleskopu. Mēs neizbēgami saskārāmies ar diviem faktoriem:
- Notikumu pozīcijas principā nevar precīzi noteikt tikai ar diviem detektoriem
- Melno caurumu apvienošanai nav spilgtu elektromagnētisko (gaismas) komponentu
Tagad, kad VIRGO darbojas sinhronizācijā ar diviem LIGO detektoriem, mēs varam ievērojami uzlabot mūsu izpratni par to, kur šie gravitācijas viļņi rodas telpā. Bet vēl svarīgāk, tā kā neitronu zvaigžņu apvienošanai jābūt ar elektromagnētisko komponentu, tas varētu nozīmēt, ka pirmo reizi gravitācijas viļņu astronomija un tradicionālā astronomija tiks izmantoti kopā, lai novērotu vienu un to pašu notikumu Visumā!
Divu neitronu zvaigžņu spirāles sagriešanās un saplūšana, kā parādīts šeit, rada īpašu gravitācijas viļņa signālu. Arī saplūšanas brīdim jārada elektromagnētiskais starojums, unikāls un pats par sevi identificējams.
Mēs jau esam iegājuši jaunā astronomijas laikmetā, kur mēs izmantojam ne tikai teleskopus, bet arī interferometrus. Mēs izmantojam ne tikai gaismu, bet arī gravitācijas viļņus, lai redzētu un saprastu Visumu. Ja LIGO parādās neitronu zvaigžņu apvienošanās, pat ja tā notiek reti, un atklāšanas līmenis ir zems, mēs šķērsosim nākamo robežu. Gravitācijas debesis un gaismas debesis vairs nebūs svešas viena otrai. Mēs būsim vienu soli tuvāk, lai izprastu, kā darbojas visekstrēmākie objekti Visumā, un mums būs logs mūsu telpā, kāda vēl nekad agrāk nav bijis.
Iļja Khel