Den 11 februari 2016 meddelade forskare vid Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) den första upptäckten av gravitationsvågor. Denna utveckling, som bekräftade en förutsägelse gjord av Einsteins teori om allmän relativitet för ett sekel sedan, har öppnat nya vägar för forskning för kosmologer och astrofysiker. Sedan den tiden har fler upptäckter gjorts, som alla sägs vara resultatet av att svarta hål slogs samman.
Enligt ett team av astronomer från Glasgow och Arizona behöver astronomer emellertid inte begränsa sig till att upptäcka vågor orsakade av massiva tyngdkraftsfusioner. Enligt en studie som de nyligen producerade kunde Advanced LIGO, GEO 600 och Virgo gravitationsvågdetektornätverk också upptäcka gravitationella vågor som skapats av supernova. På så sätt kommer astronomer att kunna se inuti hjärtan av kollapsande stjärnor för första gången.
Studien, med titeln ”Inferring the Core-Collapse Supernova Explosion Mechanism with Three-Dimensional Gravitational-Wave Simulations”, dykte nyligen upp online. Leds av Jade Powell, som nyligen avslutade sin doktorsexamen vid Institute for Gravitational Research vid University of Glasgow, argumenterar teamet för att nuvarande gravitationsvågsexperiment bör kunna upptäcka vågorna skapade av Core Collapse Supernovae (CSNe).
Annars känd som Type II supernovaer, CCSNe är vad som händer när en massiv stjärna når slutet av sin livslängd och upplever snabb kollaps. Detta utlöser en massiv explosion som blåser av de yttre lagren av stjärnan och lämnar efter sig en kvarvarande neutronstjärna som så småningom kan bli ett svart hål. För att en stjärna ska genomgå en sådan kollaps måste den vara minst åtta gånger (men inte mer än 40 till 50 gånger) solens massa.
När dessa typer av supernovaer äger rum antas det att neutrinoer som produceras i kärnan överför gravitationsenergi som frigörs genom kärnan kollapsar till de kallare yttre områdena i stjärnan. Dr Powell och hennes kollegor tror att denna gravitationsenergi skulle kunna upptäckas med nuvarande och framtida instrument. Som de förklarar i sin studie:
”Även om ingen CCSNe för närvarande har upptäckts av gravitationsvågdetektorer, indikerar tidigare studier att ett avancerat detektornätverk kan vara känsligt för dessa källor till Large Magellanic Cloud (LMC). En CCSN skulle vara en idealisk multimeddelandekälla för aLIGO och AdV, eftersom neutrino och elektromagnetiska motsvarigheter till signalen kan förväntas. Gravitationsvågorna avges från djupt inuti kärnan i CCSNe, vilket kan tillåta astrofysiska parametrar, såsom tillståndets ekvation, att mätas från rekonstruktionen av gravitationsvågsignalen. "
Dr. Powell och henne skisserar också ett förfarande i sin studie som skulle kunna implementeras med Supernova-modellen Evidence Extractor (SMEE). Teamet genomförde sedan simuleringar med användning av de senaste tredimensionella modellerna av gravitationsvågskärnans supernovaer för att bestämma om bakgrundsbrus kunde elimineras och korrekt upptäckt av CCSNe-signaler.
Som Dr. Powell förklarade till Space Magazine via e-post:
“Supernova Model Evidence Extractor (SMEE) är en algoritm som vi använder för att avgöra hur supernovaer får den enorma mängden energi de behöver för att explodera. Den använder Bayesian-statistik för att skilja mellan olika möjliga explosionsmodeller. Den första modellen vi överväger i tidningen är att explosionenergin kommer från neutrinoerna som avges från stjärnan. I den andra modellen kommer explosionsenergin från snabb rotation och extremt starka magnetfält. ”
Från detta drog teamet slutsatsen att forskare i ett tredetektornätverk korrekt kunde bestämma explosionsmekaniken för snabbt roterande supernovaer, beroende på deras avstånd. På ett avstånd av 10 kiloparsek (32 615 ljusår) skulle de kunna upptäcka signaler om CCSNe med 100% noggrannhet och signaler vid 2 kiloparsek (6,523 ljusår) med 95% noggrannhet.
Med andra ord, om och när en supernova äger rum i den lokala galaxen, skulle det globala nätverket som bildas av Advanced LIGO, Virgo och GEO 600 gravitationsvågdetektorer ha en utmärkt chans att ta upp den. Upptäckten av dessa signaler skulle också möjliggöra en banbrytande vetenskap, vilket gör det möjligt för forskare att "se" inuti exploderande stjärnor för första gången. Som Dr. Powell förklarade:
”Gravitationsvågorna släpps ut djupt inifrån stjärnkärnan där ingen elektromagnetisk strålning kan undkomma. Detta gör det möjligt för en gravitationsvågdetektion att berätta information om explosionsmekanismen som inte kan bestämmas med andra metoder. Vi kanske också kan bestämma andra parametrar som hur snabbt stjärnan roterar. ”
Dr. Powell, som nyligen har avslutat sitt arbete med sin doktorsexamen, kommer också att tillträda en postdoc-tjänst med RC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), det gravitationsvågprogram som är värd för University of Swinburne i Australien. Under tiden kommer hon och hennes kollegor att bedriva riktade sökare efter supernovaer som inträffade under den första och sekundens avancerade detektor som observerade körningar.
Det finns inga garantier för att de hittar de eftertraktade signalerna som skulle visa att supernovaer är detekterbara, men teamet har stora förhoppningar. Och med tanke på de möjligheter som denna forskning har för astrofysik och astronomi är de knappast ensamma!
