11. februar 2016 kunngjorde forskere ved Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) den første deteksjonen av gravitasjonsbølger. Denne utviklingen, som bekreftet en spådom laget av Einsteins teori om generell relativitet for hundre år siden, har åpnet nye muligheter for forskning for kosmologer og astrofysikere. Siden den tid har det blitt gjort flere deteksjoner, som alle ble sagt å være et resultat av sorte hull som fusjonerte.
Ifølge et team med astronomer fra Glasgow og Arizona trenger astronomer imidlertid ikke begrense seg til å oppdage bølger forårsaket av massive gravitasjonsfusjoner. I følge en studie de nylig har produsert, kunne Advanced LIGO, GEO 600 og Virgo gravitasjonsbølgedetektor nettverket også oppdage gravitasjonsbølgene skapt av supernova. På denne måten vil astronomer se innsiden av hjertene til kollapsende stjerner for første gang.
Studien, med tittelen “Inferring the Core-Collapse Supernova Explosion Mechanism with Three-Dimensional Gravitational-Wave Simulations”, dukket nylig opp online. Anført av Jade Powell, som nylig avsluttet sin doktorgrad ved Institute for Gravitational Research ved University of Glasgow, argumenterer teamet for at nåværende gravitasjonsbølgeforsøk burde være i stand til å oppdage bølgene skapt av Core Collapse Supernovae (CSNe).
Ellers kjent som Type II-supernovaer, er CCSNe det som skjer når en massiv stjerne når slutten av levetiden og opplever rask kollaps. Dette utløser en massiv eksplosjon som blåser av de ytre lagene i stjernen, og etterlater en resterende nøytronstjerne som til slutt kan bli et svart hull. For at en stjerne skal gjennomgå en slik kollaps, må den være minst 8 ganger (men ikke mer enn 40 til 50 ganger) solenes masse.
Når disse typer supernovaer finner sted, antas det at nøytrinoer produsert i kjernen overfører gravitasjonsenergi frigjort ved kjernen kollapser til de kjøligere ytre områdene av stjernen. Dr. Powell og hennes kolleger mener at denne gravitasjonsenergien kan oppdages ved hjelp av nåværende og fremtidige instrumenter. Som de forklarer i studien:
Selv om ingen CCSNe for øyeblikket er blitt oppdaget av gravitasjonsbølgedetektorer, indikerer tidligere studier at et avansert detektornettverk kan være følsomt for disse kildene til Stor Magellanic Cloud (LMC). En CCSN ville være en ideell kilde for flere messenger for aLIGO og AdV, ettersom neutrino og elektromagnetiske motstykker til signalet kan forventes. Gravitasjonsbølgene slippes ut fra dypt inne i kjernen av CCSNe, noe som kan tillate astrofysiske parametere, som statens ligning (EOS), å måles fra gjenoppbyggingen av gravitasjonsbølgesignalet. "
Dr. Powell og henne skisserer også en prosedyre i studien deres som kan implementeres ved bruk av Supernova-modellen Evidence Extractor (SMEE). Teamet gjennomførte deretter simuleringer ved bruk av de nyeste tredimensjonale modeller av gravitasjonsbølgekjerne-kollaps-supernovaer for å bestemme om bakgrunnsstøy kunne elimineres og riktig registrering av CCSNe-signaler.
Som Dr. Powell forklarte til Space Magazine via e-post:
“Supernova Model Evidence Extractor (SMEE) er en algoritme som vi bruker for å bestemme hvordan supernovaer får den enorme mengden energi de trenger for å eksplodere. Den bruker Bayesian-statistikk for å skille mellom forskjellige mulige eksplosjonsmodeller. Den første modellen vi vurderer i papiret, er at eksplosjonsenergien kommer fra nøytrinoene som stjernes. I den andre modellen kommer eksplosjonsenergien fra hurtig rotasjon og ekstremt sterke magnetfelt. ”
Fra dette konkluderte teamet med at forskere i et tre-detektornettverk kunne bestemme eksplosjonsmekanikken for hurtigroterende supernovaer, avhengig av deres avstand. I en avstand på 10 kiloparsecs (32.615 lysår) ville de være i stand til å oppdage signaler om CCSNe med 100% nøyaktighet, og signaler til 2 kiloparsecs (6.523 lysår) med 95% nøyaktighet.
Med andre ord, hvis og når en supernova finner sted i den lokale galaksen, ville det globale nettverket dannet av Advanced LIGO, Virgo og GEO 600 gravitasjonsbølgedetektorer ha en utmerket sjanse til å plukke opp den. Oppdagelsen av disse signalene vil også gi rom for noen banebrytende vitenskap, slik at forskere kan "se" innsiden av eksploderende stjerner for første gang. Som Dr. Powell forklarte:
“Gravitasjonsbølgene avgis fra dypt inne i kjernen av stjernen der ingen elektromagnetisk stråling kan slippe ut. Dette lar en gravitasjonsbølgedeteksjon fortelle oss informasjon om eksplosjonsmekanismen som ikke kan bestemmes med andre metoder. Vi kan også være i stand til å bestemme andre parametere, for eksempel hvor raskt stjernen roterer. ”
Dr. Powell, som nylig har fullført arbeidet med doktorgraden, vil også innta en postdoc-stilling ved RC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), gravitasjonsbølgeprogrammet som er arrangert av University of Swinburne i Australia. I mellomtiden vil hun og hennes kolleger dirigere målrettede søkere etter supernovaer som skjedde under den første og sekunders avanserte detektor som observerte kjøringer.
Selv om det ikke er noen garantier på dette tidspunktet om at de vil finne de etterspurte signalene som skulle demonstrere at supernovaer er påviselige, har teamet store forhåpninger. Og gitt mulighetene som denne forskningen har for astrofysikk og astronomi, er de neppe alene!
