Bintang yang sekarat mengirimkan gelombang gravitasi ke seluruh alam semesta

Riak dalam ruang-waktu yang disebabkan oleh matinya bintang-bintang masif yang berotasi mungkin berada dalam batas deteksi oleh proyek-proyek seperti… Lego Dan Perawan.

Bintang yang runtuh, sisa-sisa bintang masif yang runtuh, dapat menghasilkan gambar yang dapat dideteksi Gelombang gravitasiMenurut simulasi baru, gelombang ini, yang berasal dari material yang mengalir ke lubang hitam, dapat memberikan wawasan tentang proses internal bintang dan lubang hitam, meskipun mengidentifikasinya masih merupakan sebuah tantangan.

Gelombang gravitasi disebabkan oleh bintang yang sekarat

Kematian bintang masif yang berputar cepat bisa mengguncang alam semesta. Riak yang dihasilkan – dikenal sebagai gelombang gravitasi – dapat dirasakan oleh instrumen di Bumi, menurut penelitian baru yang diterbitkan 22 Agustus di Astronomical Journal. itu Surat Jurnal AstrofisikaPara ilmuwan yang melakukan penelitian berharap sumber gelombang gravitasi baru ini masih menunggu penemuan.

Gelombang gravitasi muncul setelah matinya bintang-bintang yang berputar cepat dengan massa 15 hingga 20 kali massa Matahari. Ketika kehabisan bahan bakar, bintang-bintang ini meledak, lalu meledak, dalam peristiwa yang dikenal sebagai keruntuhan bintang. Ini tertinggal Lubang hitam Ia dikelilingi oleh piringan besar sisa material yang berputar cepat di mulut lubang hitam. Rotasi materi – yang hanya berlangsung beberapa menit – begitu besar hingga mendistorsi ruang di sekitarnya, menciptakan gelombang gravitasi yang melintasi alam semesta.

Simulasi yang menunjukkan distribusi materi di sekitar lubang hitam yang baru lahir setelah keruntuhan bintang. Warna yang lebih hangat menunjukkan kepadatan material yang lebih tinggi. Hak Cipta: Bijih Gottlieb

Simulasi deteksi gelombang gravitasi

Dengan menggunakan simulasi yang canggih, para ilmuwan menentukan bahwa gelombang gravitasi ini dapat dideteksi menggunakan instrumen seperti Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), yang melakukan pengamatan langsung pertama terhadap gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh penggabungan lubang hitam pada tahun 2015. Jika gelombang tersebut didorong oleh keruntuhan terdeteksi, ini akan membantu para ilmuwan memahami proses internal misterius keruntuhan dan lubang hitam.

“Saat ini, satu-satunya sumber gelombang gravitasi yang kami deteksi berasal dari penggabungan dua objek kompak – bintang neutron atau lubang hitam,” kata Or Gottlieb, peneliti di Pusat Astrofisika Komputasi Institut Flatiron di New York City. “Salah satu pertanyaan paling menarik dalam bidang ini adalah: Sumber non-fusi apa yang mungkin dapat menghasilkan gelombang gravitasi yang dapat kita deteksi menggunakan fasilitas yang ada saat ini? Salah satu jawaban yang paling menjanjikan saat ini adalah keruntuhan bintang.”

Gelombang gravitasi yang dapat dideteksi dari bintang yang runtuh

Gottlieb, bersama dengan peneliti tamu CCA dan profesor Universitas Columbia Uri Levin dan profesor Universitas Tel Aviv Amir Levinson, mensimulasikan kondisi – termasuk medan magnet dan laju pendinginan – yang ditemukan setelah runtuhnya bintang masif yang berputar. Simulasi menunjukkan bahwa bintang yang runtuh dapat menghasilkan gelombang gravitasi yang cukup kuat sehingga dapat terlihat dari jarak sekitar 50 juta tahun cahaya. Jarak ini kurang dari sepersepuluh jangkauan gelombang gravitasi yang lebih kuat yang dapat dideteksi dari penggabungan lubang hitam atau bintang neutron, meskipun jarak tersebut masih lebih kuat daripada peristiwa non-penggabungan yang disimulasikan hingga saat ini.

Hasil tak terduga dalam pola gelombang gravitasi

Gottlieb mengatakan hasil baru ini mengejutkan. Para ilmuwan mengira bahwa keruntuhan yang kacau akan menciptakan campuran gelombang yang sulit dibedakan di antara kebisingan latar belakang kosmik. Bayangkan sebuah orkestra bersiap untuk bermain. Saat setiap pemain memainkan nadanya sendiri, sulit untuk membedakan melodi mana yang berasal dari satu seruling atau tuba. Di sisi lain, gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh penggabungan dua objek menghasilkan sinyal yang jelas dan kuat, seperti orkestra yang bermain bersama. Hal ini karena ketika dua benda padat akan bergabung, mereka menari dalam orbit rapat yang menciptakan gelombang gravitasi pada setiap revolusinya. Irama gelombang yang hampir sama memperkuat sinyal ke tingkat yang dapat dideteksi. Simulasi baru menunjukkan bahwa piringan yang berputar di sekitar bintang yang runtuh juga dapat memancarkan gelombang gravitasi yang menguat secara bersamaan, seperti halnya benda kompak yang mengorbit dalam penggabungan.

Kekuatan gelombang yang digerakkan oleh raksasa

“Saya pikir sinyalnya akan lebih kacau karena piringan tersebut merupakan distribusi gas yang berkesinambungan dengan materi yang berputar pada orbit yang berbeda,” kata Gottlieb. “Kami menemukan bahwa gelombang gravitasi dari piringan ini dipancarkan secara koheren, dan juga cukup kuat.”

Sinyal yang diharapkan dari runtuhnya piringan bintang tidak hanya cukup kuat untuk dideteksi oleh LIGO, namun perhitungan Gottlieb menunjukkan bahwa beberapa peristiwa mungkin sudah ada dalam kumpulan data yang ada. Detektor gelombang gravitasi yang diusulkan, seperti Cosmic Explorer Observatory dan Einstein Observatory, dapat mendeteksi lusinan gelombang gravitasi setiap tahunnya.

Strategi deteksi peristiwa kerusakan

Komunitas gelombang gravitasi sudah tertarik untuk mencari peristiwa ini, namun ini bukanlah tugas yang mudah. Penelitian baru ini telah menghitung tanda gelombang gravitasi untuk sejumlah kemungkinan peristiwa keruntuhan bintang. Namun, bintang-bintang memiliki rentang massa dan pola rotasi yang luas, yang akan menciptakan perbedaan dalam sinyal gelombang gravitasi yang dihitung.

“Pada prinsipnya, akan lebih baik jika kita menjalankan simulasi jutaan bintang yang runtuh sehingga kita dapat membuat model umum,” kata Gottlieb, “tapi sayangnya, simulasi seperti itu sangat mahal.

Para ilmuwan dapat melihat data historis untuk melihat apakah ada peristiwa serupa dengan yang disimulasikan oleh Gottlieb. Namun mengingat keragaman bintang, masing-masing bintang berpotensi membawa sinyal unik, dan para ilmuwan tidak mungkin menemukan kecocokan dengan salah satu sinyal simulasi. Strategi lainnya adalah dengan menggunakan sinyal lain dari peristiwa keruntuhan di dekatnya – seperti supernova atau ledakan sinar gamma yang dipancarkan selama keruntuhan sebuah bintang – dan kemudian menelusuri arsip data untuk melihat apakah ada gelombang gravitasi yang terdeteksi di wilayah langit tersebut pada waktu yang sama. waktu.

Implikasi untuk memahami lubang hitam

Mendeteksi gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh keruntuhan bintang akan membantu para ilmuwan lebih memahami struktur internal sebuah bintang saat ia runtuh, dan juga memungkinkan mereka mempelajari sifat-sifat lubang hitam – dua topik yang masih kurang dipahami.

“Ini adalah hal-hal yang tidak dapat kita deteksi,” kata Gottlieb. “Satu-satunya cara kita dapat mempelajari wilayah dalam bintang di sekitar lubang hitam adalah melalui gelombang gravitasi.”

Referensi: “Di garis bidik LIGO? Gelombang gravitasi koheren yang kuat dari piringan collapsar yang didinginkan” oleh Ore Gottlieb, Amir Levinson, dan Yuri Levin, 22 Agustus 2024, Surat Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad697c