Wellen in der Raumzeit, die durch den Tod massereicher rotierender Sterne verursacht werden, liegen möglicherweise innerhalb der Nachweisgrenzen von Projekten wie … Lego Und die Jungfrau.

Kollabierte Sterne, die Überreste kollabierter massereicher Sterne, können erkennbare Bilder erzeugen GravitationswellenEiner neuen Simulation zufolge könnten diese Wellen, die aus Material entstehen, das in Schwarze Löcher fließt, Einblicke in die inneren Prozesse von Sternen und Schwarzen Löchern liefern, auch wenn ihre Identifizierung weiterhin eine Herausforderung bleibt.

Gravitationswellen, die durch sterbende Sterne verursacht werden

Der Tod eines massereichen, schnell rotierenden Sterns könnte das Universum erschüttern. Die daraus resultierenden Wellen – sogenannte Gravitationswellen – können von Instrumenten auf der Erde gefühlt werden, heißt es in einer neuen Studie, die am 22. August im Astronomical Journal veröffentlicht wurde. Die Astrophysikalische TagebuchbriefeDie forschenden Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese neuen Gravitationswellenquellen noch auf ihre Entdeckung warten.

Gravitationswellen entstehen nach dem gewaltsamen Tod schnell rotierender Sterne mit der 15- bis 20-fachen Sonnenmasse. Wenn ihnen der Treibstoff ausgeht, explodieren diese Sterne und explodieren dann, was als Sternkollaps bekannt ist. Das bleibt zurück Schwarzes Loch Es ist von einer großen Scheibe übriggebliebenen Materials umgeben, das sich an der Mündung des Schwarzen Lochs schnell dreht. Die Rotation der Materie – die nur wenige Minuten dauert – ist so groß, dass sie den Raum um sie herum verzerrt und Gravitationswellen erzeugt, die sich durch das Universum ausbreiten.

Simulation, die die Verteilung der Materie um ein neugeborenes Schwarzes Loch nach einem Sternkollaps zeigt. Wärmere Farben weisen auf eine höhere Materialdichte hin. Urheberrecht: Ore Gottlieb

Simulation der Gravitationswellendetektion

Mithilfe ausgefeilter Simulationen stellten Wissenschaftler fest, dass diese Gravitationswellen mit Instrumenten wie dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nachgewiesen werden können, das 2015 die ersten direkten Beobachtungen von Gravitationswellen machte, die durch die Verschmelzung Schwarzer Löcher erzeugt wurden Wenn der Kollaps erkannt wird, können sie den Wissenschaftlern helfen, die mysteriösen inneren Prozesse von Kollaps und Schwarzen Löchern zu verstehen.

„Derzeit stammen die einzigen Quellen von Gravitationswellen, die wir entdeckt haben, aus der Verschmelzung zweier kompakter Objekte – Neutronensterne oder Schwarze Löcher“, sagt Or Gottlieb, Forscher am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute in New York City. „Eine der interessantesten Fragen in diesem Bereich ist: Welche möglichen Nicht-Fusionsquellen könnten Gravitationswellen erzeugen, die wir mit aktuellen Anlagen nachweisen können? Eine der vielversprechendsten Antworten sind derzeit Sternkollaps.“

Gravitationswellen, die von kollabierenden Sternen nachgewiesen werden können

Gottlieb simulierte zusammen mit dem CCA-Gastwissenschaftler und Columbia University-Professor Uri Levin und dem Tel Aviv University-Professor Amir Levinson die Bedingungen – einschließlich Magnetfelder und Abkühlungsraten –, die nach dem Zusammenbruch eines massereichen rotierenden Sterns herrschten. Simulationen zeigten, dass kollabierende Sterne Gravitationswellen erzeugen könnten, die stark genug sind, um aus einer Entfernung von etwa 50 Millionen Lichtjahren sichtbar zu sein. Diese Entfernung beträgt weniger als ein Zehntel der nachweisbaren Reichweite stärkerer Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern oder Neutronensternen, obwohl sie immer noch stärker ist als jedes bisher simulierte Ereignis ohne Verschmelzung.

Unerwartete Ergebnisse in Gravitationswellenmustern

Gottlieb sagt, die neuen Ergebnisse seien überraschend gewesen. Wissenschaftler gingen davon aus, dass ein chaotischer Kollaps eine Wellenmischung erzeugen würde, die im kosmischen Hintergrundrauschen schwer zu unterscheiden wäre. Stellen Sie sich ein Orchester vor, das sich auf das Spielen vorbereitet. Wenn jeder Spieler seine eigenen Noten spielt, kann es schwierig sein zu unterscheiden, welche Melodie von einer einzelnen Flöte oder Tuba kommt. Andererseits erzeugen Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung zweier Objekte entstehen, klare und kraftvolle Signale, wie ein zusammenspielendes Orchester. Denn wenn zwei kompakte Objekte kurz vor der Verschmelzung stehen, tanzen sie auf einer engen Umlaufbahn, die bei jeder Umdrehung Gravitationswellen erzeugt. Der nahezu identische Wellenrhythmus verstärkt das Signal auf ein erkennbares Niveau. Neue Simulationen zeigen, dass rotierende Scheiben um kollabierende Sterne ebenfalls Gravitationswellen aussenden können, die sich gemeinsam verstärken, genau wie kompakte Objekte, die bei Verschmelzungen umkreisen.

Die Kraft der vom Koloss angetriebenen Wellen

„Ich dachte, das Signal wäre chaotischer, weil die Scheibe eine kontinuierliche Gasverteilung mit Materie darstellt, die sich in verschiedenen Umlaufbahnen dreht“, sagt Gottlieb. „Wir haben herausgefunden, dass die Gravitationswellen von diesen Scheiben kohärent emittiert werden und auch ziemlich stark sind.“

Das von kollabierenden Sternscheiben erwartete Signal ist nicht nur stark genug, um von LIGO entdeckt zu werden, sondern Gottliebs Berechnungen deuten auch darauf hin, dass einige der Ereignisse möglicherweise bereits in vorhandenen Datensätzen vorhanden sind. Vorgeschlagene Gravitationswellendetektoren wie das Cosmic Explorer Observatory und das Einstein Observatory könnten jährlich Dutzende davon entdecken.

Strategien zur Erkennung von Absturzereignissen

Die Gravitationswellen-Community ist bereits daran interessiert, nach diesen Ereignissen zu suchen, aber das ist keine leichte Aufgabe. Die neue Arbeit hat Gravitationswellensignaturen für eine bescheidene Anzahl möglicher Sternkollapsereignisse berechnet. Allerdings weisen Sterne ein breites Spektrum an Massen- und Rotationsmustern auf, was zu Unterschieden in den berechneten Gravitationswellensignalen führen würde.

„Im Prinzip wäre es besser, eine Simulation von einer Million kollabierter Sterne durchzuführen, um ein allgemeines Modell zu erstellen“, sagt Gottlieb, „aber leider sind solche Simulationen sehr teuer, also müssen wir jetzt andere Strategien wählen.“

Wissenschaftler können anhand historischer Daten feststellen, ob es ähnliche Ereignisse gibt wie die von Gottlieb simulierten. Angesichts der Vielfalt der Sterne trägt jedoch jeder ein potenziell einzigartiges Signal, und es ist unwahrscheinlich, dass Wissenschaftler eine Übereinstimmung mit einem der simulierten Signale finden. Eine andere Strategie besteht darin, andere Signale von nahegelegenen Kollapsereignissen zu nutzen – etwa Supernovae oder Gammastrahlenausbrüche, die beim Kollaps eines Sterns ausgesandt werden – und dann die Datenarchive zu durchsuchen, um zu sehen, ob etwa zur gleichen Zeit in dieser Himmelsregion Gravitationswellen entdeckt wurden Zeit.

Implikationen für das Verständnis von Schwarzen Löchern

Die Erkennung von Gravitationswellen, die beim Sternkollaps entstehen, würde Wissenschaftlern helfen, die innere Struktur eines Sterns beim Kollaps besser zu verstehen, und würde es ihnen auch ermöglichen, mehr über die Eigenschaften von Schwarzen Löchern zu erfahren – zwei Themen, die noch immer kaum verstanden werden.

„Das sind Dinge, die wir sonst nicht entdecken können“, sagt Gottlieb. „Die einzige Möglichkeit, diese inneren Sternregionen rund um das Schwarze Loch zu untersuchen, sind Gravitationswellen.“

Referenz: „Im Fadenkreuz von LIGO? Starke kohärente Gravitationswellen aus gekühlten Kollapsarscheiben“ von Ore Gottlieb, Amir Levinson und Yuri Levin, 22. August 2024, Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
doi: 10.3847/2041-8213/ad697c