11 lutego 2016 r. Naukowcy z Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ogłosili pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych. Rozwój ten, który potwierdził prognozę poczynioną sto lat temu przez Teorię ogólnej teorii względności Einsteina, otworzył nowe możliwości badań kosmologom i astrofizykom. Od tego czasu dokonano większej liczby wykrytych przypadków, o których mówiono, że są wynikiem połączenia czarnych dziur.
Jednak według zespołu astronomów z Glasgow i Arizony astronomowie nie muszą ograniczać się do wykrywania fal wywołanych przez masowe połączenia grawitacyjne. Według badań, które niedawno wyprodukowali, zaawansowana sieć detektorów fal grawitacyjnych LIGO, GEO 600 i Virgo może również wykrywać fale grawitacyjne wytwarzane przez supernową. W ten sposób astronomowie po raz pierwszy będą mogli zobaczyć wnętrze zapadających się gwiazd.
Badanie zatytułowane „Wnioskowanie o mechanizmie wybuchu supernowej z załamaniem jądra za pomocą trójwymiarowych symulacji fali grawitacyjnej” niedawno pojawiło się w Internecie. Zespół dowodzony przez Jade Powell, która niedawno ukończyła doktorat w Institute for Gravitational Research na University of Glasgow, zespół argumentuje, że obecne eksperymenty fal grawitacyjnych powinny być w stanie wykryć fale tworzone przez Core Collapse Supernovae (CSNe).
Znane również jako supernowe typu II, CCSNe są tym, co dzieje się, gdy masywna gwiazda osiąga koniec swojego życia i doświadcza szybkiego zapaści. Wywołuje to masową eksplozję, która zdmuchuje zewnętrzne warstwy gwiazdy, pozostawiając resztkę gwiazdy neutronowej, która ostatecznie może stać się czarną dziurą. Aby gwiazda uległa takiemu zapadnięciu, musi być co najmniej 8 razy (ale nie więcej niż 40 do 50 razy) masą Słońca.
Kiedy zachodzą te typy supernowych, uważa się, że neutrina wytwarzane w rdzeniu przenoszą energię grawitacyjną uwalnianą przez zapadanie się rdzenia do chłodniejszych zewnętrznych obszarów gwiazdy. Dr Powell i jej koledzy uważają, że tę energię grawitacji można wykryć za pomocą obecnych i przyszłych instrumentów. Jak wyjaśniają w swoich badaniach:
„Chociaż detektory fal grawitacyjnych nie wykrywają obecnie CCSNe, wcześniejsze badania wskazują, że zaawansowana sieć detektorów może być wrażliwa na te źródła aż do dużej chmury magellanicznej (LMC). CCSN byłby idealnym źródłem dla wielu posłańców dla aLIGO i AdV, ponieważ można by oczekiwać neutrino i elektromagnetycznych odpowiedników sygnału. Fale grawitacyjne są emitowane z głębi rdzenia CCSNe, co może umożliwić pomiar parametrów astrofizycznych, takich jak równanie stanu (EOS), na podstawie rekonstrukcji sygnału fali grawitacyjnej. ”
Dr Powell wraz z nią naszkicowali w swoich badaniach procedurę, którą można wdrożyć za pomocą Supernova model Evidence Extractor (SMEE). Zespół przeprowadził następnie symulacje z wykorzystaniem najnowszych trójwymiarowych modeli supernowych zapadających się fal grawitacyjnych w celu ustalenia, czy szum tła można wyeliminować i czy wykonano prawidłowe wykrywanie sygnałów CCSNe.
Jak dr Powell wyjaśnił Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej:
„Ekstraktor dowodowy modelu Supernowej (SMEE) to algorytm, którego używamy do określania, w jaki sposób supernowe otrzymują ogromną ilość energii, której potrzebują do wybuchu. Wykorzystuje statystyki bayesowskie do rozróżnienia różnych możliwych modeli wybuchu. Pierwszym modelem, który rozważamy w artykule, jest to, że energia wybuchu pochodzi z neutrin emitowanych przez gwiazdę. W drugim modelu energia wybuchu pochodzi z szybkiego obrotu i bardzo silnych pól magnetycznych. ”
Na podstawie tego zespół stwierdził, że w sieci z trzema detektorami badacze mogli poprawnie określić mechanikę wybuchu szybko obracających się supernowych, w zależności od ich odległości. W odległości 10 kiloparseków (32 265 lat świetlnych) byliby w stanie wykryć sygnały CCSNe ze 100% dokładnością, a sygnały przy 2 kiloparsekach (6523 lat świetlnych) z 95% dokładnością.
Innymi słowy, jeśli i kiedy supernowa ma miejsce w lokalnej galaktyce, globalna sieć utworzona przez zaawansowane detektory fal grawitacyjnych LIGO, Virgo i GEO 600 miałaby doskonałą szansę na wykrycie. Wykrycie tych sygnałów pozwoliłoby również na przełomową naukę, umożliwiając naukowcom po raz pierwszy „zobaczyć” wnętrze wybuchających gwiazd. Jak wyjaśnił dr Powell:
„Fale grawitacyjne są emitowane z wnętrza jądra gwiazdy, gdzie promieniowanie elektromagnetyczne nie może uciec. Umożliwia to wykrywanie fali grawitacyjnej, która informuje nas o mechanizmie wybuchu, którego nie można ustalić innymi metodami. Możemy również określić inne parametry, takie jak szybkość obracania się gwiazdy. ”
Dr Powell, która niedawno ukończyła pracę nad doktoratem, będzie również zajmować stanowisko postdoc w RC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), programie fali grawitacyjnej prowadzonym przez University of Swinburne w Australii. W międzyczasie ona i jej koledzy będą prowadzić ukierunkowane poszukiwania supernowych, które miały miejsce podczas pierwszych i sekund zaawansowanych przebiegów obserwacji detektora.
Chociaż w tym momencie nie ma gwarancji, że znajdą poszukiwane sygnały, które mogłyby wykazać, że supernowe są wykrywalne, zespół ma duże nadzieje. Biorąc pod uwagę możliwości, jakie te badania dają w zakresie astrofizyki i astronomii, nie są one same!
