Fale grawitacyjne dadzą astronomom nowy sposób patrzenia do wnętrza gwiazd neutronowych

Trudno jest badać gwiazdy neutronowe. Znajdują się one w odległości lat świetlnych i mają tylko około 20 kilometrów średnicy. Są również wykonane z najgęstszego materiału we Wszechświecie. Tak gęste, że jądra atomowe łączą się, tworząc złożoną materię. Przez lata nasze rozumienie wnętrz opierało się na złożonych modelach fizycznych i na tym, jak niewiele danych udało nam się zebrać z teleskopów optycznych. Ale to zaczyna się zmieniać.

Wnętrzem gwiazdy neutronowej rządzi równanie stanu materii jądrowej, znane jako równanie Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa (TOV). Równania są tak złożone, że wymagają potężnych komputerów do obliczenia, a odpowiedzi, które daje TOV, zależą od pewnych założeń, jakie przyjmujemy na temat zachowania materii jądrowej w dużych ilościach. Tak więc w naszym rozumieniu gwiazd neutronowych jest dużo niejasności. Wiemy, że mają one zazwyczaj około 20 kilometrów średnicy, ale nie znamy dokładnego związku między masą a rozmiarem gwiazdy neutronowej. Obserwacyjnie wiemy, że górna granica masy dla gwiazdy neutronowej wynosi około dwóch mas Słońca, ale nie znamy absolutnej granicy, jak w przypadku białych karłów. Nie wiemy również, czy kwarki mogą zostać uwolnione we wnętrzu, aby stworzyć dziwny rodzaj – gwiazdę kwarkową.

Jednym z wyzwań związanych z odpowiedzią na te pytania jest ograniczenie danych optycznych, którymi dysponujemy. Nie możemy zobaczyć wnętrza gwiazdy neutronowej, więc ograniczamy się do obserwacji pośrednich. Z obserwacji pulsarów radiowych wiemy na przykład, że gwiazdy neutronowe podlegają tak silnym trzęsieniom gwiazdowym, że zmieniają one prędkość rotacji gwiazdy neutronowej. To mówi nam, że gwiazdy neutronowe prawdopodobnie mają sztywną skorupę, która od czasu do czasu pęka, gdy gwiazda neutronowa się ochładza. Mamy również pewne pojęcie o wnętrzu gwiazdy neutronowej, obserwując widma supernowych powstałych podczas zderzeń gwiazd neutronowych. Powstałe w wyniku eksplozji elementy dają nam pośrednie dane o kompozycji wnętrza. Ale nasze rozumienie nadal w dużej mierze opiera się na teorii. Byłoby miło mieć nowy rodzaj narzędzia do badania gwiazd neutronowych, innego niż teleskopy optyczne.

Na szczęście dla nas mamy jeden. Teleskopy fal grawitacyjnych nie tylko wykryły łączenie się czarnych dziur, ale także łączenie gwiazd neutronowych. Fale wytwarzane przez spiralę dwóch gwiazd neutronowych nie są tak silne jak te wytwarzane przez czarne dziury, ale coraz lepiej je wykrywamy. Kolejna generacja teleskopów fal grawitacyjnych będzie w stanie bardziej szczegółowo badać łączenia się gwiazd neutronowych. To było przedmiotem nowego badania opublikowanego w Physical Review Letters.

W badaniu przyjrzano się, jak na fale grawitacyjne inspirujących gwiazd neutronowych wpływa rozmiar i kształt gwiazd neutronowych. W przeciwieństwie do łączenia czarnych dziur, które są całkowicie regulowane przez ogólną teorię względności, łączenia gwiazd neutronowych zależą częściowo od tego, jak gwiazdy neutronowe zmieniają kształt pod wpływem naprężeń grawitacyjnych. Jeśli gwiazdy neutronowe są sztywniejsze, to w miarę zbliżania się do siebie pozostaną dość kuliste, ale jeśli będą bardziej płynne, ulegną wcześnie deformacji. Zespół wykorzystał zaawansowany model do połączenia wzorów fal grawitacyjnych z równaniem stanu gwiazdy neutronowej i odkrył, że przyszłe obserwacje fal grawitacyjnych mogą zawęzić równanie stanu.

Wpływ na fale grawitacyjne jest niewielki, ale zespół stworzył model do kolejnego uruchomienia Advanced LIGO. Mają też gotowe modele dla następnej generacji instrumentów LIGO, znanych jako A+, które powinny mieć swoją pierwszą obserwację w 2025 roku. Nie powinno więc minąć dużo czasu, zanim otrzymamy falę danych, które mogą wreszcie ujawnić głębokie wnętrza gwiazd neutronowych.

______________________
Spodobał Ci się wpis ? To postaw kawę Postaw mi kawę na buycoffee.to