Innowacyjna metoda analizy najgęstszych układów gwiazdowych we Wszechświecie
W niedawno opublikowanym badaniu zespół naukowców proponuje innowacyjną metodę analizy fal grawitacyjnych z połączenia gwiazd neutronowych, w których dwie gwiazdy są różne pod względem typu (a nie masy), w zależności od tego, jak szybko wirują.
Gwiazdy neutronowe to niezwykle gęste obiekty gwiazdowe, które powstają, gdy olbrzymie gwiazdy eksplodują i giną – wyniku eksplozji ich jądra zapadają się, a protony i elektrony wtapiają się w siebie, tworząc pozostałą gwiazdę neutronową.
W 2017 roku połączenie dwóch gwiazd neutronowych, nazwane GW170817, zostało po raz pierwszy zaobserwowane przez detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. To połączenie jest dobrze znane, ponieważ naukowcy byli również w stanie zobaczyć wytwarzane przez nie promieniowanie elektromagnetyczne: wysokoenergetyczne promienie gamma, światło widzialne i mikrofale. Od tego czasu każdego dnia publikowano średnio trzy badania naukowe dotyczące GW170817.
W styczniu bieżącego roku współpracownicy LIGO/Virgo donieśli o drugim zdarzeniu połączenia się gwiazd neutronowych, nazwanym GW190425. Chociaż nie wykryto żadnego światła, zdarzenie to jest szczególnie intrygujące, ponieważ dwie łączące się gwiazdy neutronowe są znacznie cięższe niż GW170817, a także inne wcześniej znane układy podwójne gwiazd neutronowych w Drodze Mlecznej.
Naukowcy wykorzystują sygnały fal grawitacyjnych do wykrywania par gwiazd neutronowych i mierzenia ich mas. Cięższa gwiazda neutronowa z tej pary nazywana jest gwiazdą „pierwotną” a lżejsza gwiazdą „drugorzędną”.
Układy podwójne gwiazd neutronowych zwykle zaczynają się od zwyczajnych gwiazd, z których każda jest 10-20 razy masywniejsza od Słońca. Kiedy te masywne gwiazdy starzeją się i wyczerpuje się im paliwo, ich życie kończy się w postaci wybuchu supernowych, które pozostawiają zwarte pozostałości, czyli gwiazdy neutronowe. Każda z tych gwiazd neutronowych waży ok. 1,4 masy Słońca, ale ma średnicę zaledwie 25 km.
Pierwotna gwiazda neutronowa zwykle przechodzi proces „recyklingu”: gromadzi materię ze swojej towarzyszki i zaczyna szybciej wirować. Druga gwiazda neutronowa nie gromadzi materii; jej prędkość rotacji więc gwałtownie spada. Można przewidzieć, że do czasu, gdy obie gwiazdy neutronowe się połączą – miliony do miliardów lat później – poddana recyklingowi gwiazda neutronowa może nadal szybko wirować, podczas gdy inne, niepoddane recyklingowi gwiazdy neutronowe będą prawdopodobnie wirować powoli.
Innym sposobem na powstanie podwójnego układu gwiazd neutronowych są stale zmieniające się interakcje w gęstych gromadach gwiazd. W tym scenariuszu dwie niezwiązane ze sobą gwiazdy neutronowe, same lub w innych oddzielnych układach gwiazd, spotykają się, tworzą pary i ostatecznie łączą się ze sobą, powodując fale grawitacyjne. Jednak obecne modelowanie gromad galaktyk sugeruje, że ten scenariusz jest nieskuteczny w przypadku łączenia się gwiazd neutronowych.
Niedawne badanie naukowców z OzGrav przedstawia nowe spojrzenie zarówno na GW170817, jak i na GW190425, przyjmując schemat powolnego recyklingu. Stwierdzono, że pochodząca z recyklingu gwiazda neutronowa w GW170817 wiruje powoli, podczas gdy gwiazda GW190425 rotuje szybko, prawdopodobnie raz na 15 milisekund. Stwierdzono również, że w obu przypadkach połączenia prawdopodobnie będą uczestniczyć dwie gwiazdy neutronowe o niemal równej masie. Ponieważ w GW170817 istnieje niewiele dowodów na spin lub jego brak, a gwiazdy neutronowe zmniejszają spin, naukowcy wywnioskowali, że połączenie układu podwójnego prawdopodobnie zajęło miliardy lat. Zgadza się to dobrze z obserwacjami galaktyki macierzystej NGC 4993, gdzie zaobserwowano małą aktywność gwiazdotwórczą mającą miejsce w ciągu ostatnich miliardów lat.
Detektory LIGO/Virgo zakończyły swoją trzecią wspólną kampanię obserwacyjną (O3) na początku bieżącego roku i obecnie przechodzą planowaną konserwację i modernizację. Kiedy rozpocznie się czwarta kampania (O4) w 2021 roku, naukowcy będą oczekiwali kolejnych odkryć łączących się gwiazd neutronowych. Perspektywa będzie jeszcze lepsza, gdy japoński podziemny detektor KAGRA i detektor LIGO-India dołączą do globalnej sieci w nadchodzących latach.
