Wkrótce będziemy mogli „zobaczyć” wnętrze gwiazdy neutronowej i dowiedzieć się, jaka ekstremalna materia zarządzana przez egzotyczną fizykę czai się tam, dzięki odciskowi oddziaływań pływowych na falach grawitacyjnych emitowanych przez pary gwiazd neutronowych zmierzających spiralnie w kierunku wybuchowego połączenia.
„Jedną z nich jest nadzieja, że uda nam się uzyskać informacje na temat równania stanu gwiazdy neutronowej przy gęstościach występujących w wewnętrznym jądrze gwiazdy neutronowej. gwiazda neutronowa”, powiedział Nicolás Yunes z Uniwersytetu Illinois, który kierował badaniami, w: a oświadczenie. „Czy naprawdę istnieje kwark rdzeń, jak niektórzy ostatnio twierdzili? Czy wewnątrz zachodzą przejścia fazowe, o których jeszcze nie wiemy?”
Kontynuacja artykułu poniżej
Jednak głębiej w gwiazdę neutronową, blisko jej jądra, sytuacja może być jeszcze dziwniejsza. Ciśnienie grawitacyjne może być tak ekstremalne, że neutrony zostaną zmiażdżone na elementy składowe, którymi są cząstki elementarne zwane kwarkami, a gluony które zwykle łączą kwarki, tworząc protony i neutrony.
Naukowcy nazywają ten stan materii plazmą kwarkowo-gluonową. Ten stan materii istniał przez pierwszy ułamek sekundy po Wielki Wybuchi poza eksperymentami z akceleratorami cząstek, jedynym innym miejscem we wszechświecie, w którym może istnieć plazma kwarkowo-gluonowa, są gwiazdy neutronowe.
Gdyby naukowcom udało się zrozumieć wnętrze gwiazd neutronowych, mogliby dowiedzieć się więcej o stanie materii bezpośrednio po Wielkim Wybuchu.
Podwójne gwiazdy neutronowe od dawna uważane są za najlepsze rozwiązanie do rozszyfrowania tego, co się w nich czai. Te pary gwiazd neutronowych krążą wokół siebie po orbitach eliptycznych, zbliżając się coraz bliżej, aż zderzą się i połączą, tworząc kilonowa. Co najważniejsze, ich spirala powoduje uwolnienie fale grawitacyjne.
Teraz naukowcy pod kierownictwem Yunesa i Abhisheka Hegade z Uniwersytetu Princeton uważają, że odkryli, jak rozszyfrować częstotliwość fal grawitacyjnych, aby zinterpretować wewnętrzną strukturę gwiazd neutronowych.
„W miarę zbliżania się siły pływowe z jednego [neutron] jedna gwiazda zaczyna deformować drugą i odwrotnie” – stwierdziła Hegade. „Wielkość deformacji zależy od tego, co znajduje się wewnątrz tych gwiazd”.
Problem polega na tym, że ekstremalna grawitacja i duża prędkość (do 40% masy prędkość światła) gwiazd neutronowych, gdy krążą wokół siebie, oznacza, że naukowcy muszą patrzeć w kierunku Alberta Einsteina‘S ogólna teoria względności dla rozwiązań. Jest to skomplikowane przedsięwzięcie, ale Yunes i Hegade uważają, że znają już odpowiedź.
Gdy podwójne gwiazdy neutronowe odkształcają się nawzajem pod wpływem pływów grawitacyjnych, wywołują oscylacje w swoim wnętrzu, przypominające bicie dzwonu. Wzory tych oscylacji nazywane są modami, a częstotliwość tych modów jest odciśnięta na falach grawitacyjnych emitowanych przez podwójne gwiazdy neutronowe.
Do zrozumienia systemu binarnego wymagany jest pełny zestaw trybów. Rozróżnienie tych trybów komplikuje jednak fakt, że siły pływowe są dynamiczne: zmieniają się, gdy gwiazdy neutronowe krążą wokół siebie, a efekty działania każdej gwiazdy neutronowej nakładają się, co jeszcze bardziej utrudnia rozróżnienie, co się dzieje.
„Bez pełnego zestawu trybów jest całkiem możliwe, że podczas modelowania przeoczysz część reakcji pływowej, ponieważ mogą istnieć inne elementy, które pominiesz w matematycznym opisie odpowiedzi, potrzebne do uchwycenia całej fizyki” – powiedział Yunes.
Fizyka Newtona — czyli podstawowa fizyka grawitacji wg Izaaka Newtonaprawo grawitacji — zawiera pełny zestaw modów oscylacyjnych dla zwykłego obiektu. Tryby te nazywane są tłumionym oscylatorem harmonicznym. Jednak w fizyce relatywistycznej nie było jasne, czy można wyprowadzić wszystkie mody. Na przykład fale grawitacyjne wypromieniowujące energię z podwójnych gwiazd neutronowych są zjawiskiem ogólnej teorii względności, które nastąpiło po grawitacji newtonowskiej i jako takie nie są uwzględniane w fizyce newtonowskiej.
„Jeśli system traci energię, jego tryby nie mogą zostać ukończone” – powiedział Hegade.
Rozwiązaniem było rozbicie problemu na części, rozważenie każdej gwiazdy neutronowej z osobna i jej towarzyszki jako jedynie źródła pływów grawitacyjnych. Zespół Yunesa i Hegade’a podzielił następnie każdą gwiazdę neutronową na osobne obszary o różnej sile grawitacyjnej w różnych skalach, opisując silną i słabszą grawitację. Znaleźli przybliżone rozwiązania dla każdej skali, a następnie je połączyli. Odkryli nawet, że utrata energii wywołana falami grawitacyjnymi skutecznie się zniwelowała. Umożliwiło im to opracowanie rozwiązania opisującego wszystkie mody oscylacyjne wnętrza gwiazdy neutronowej, a ponadto sposób, w jaki te mody będą odciśnięte na częstotliwości powstałych fal grawitacyjnych.
„Pokazaliśmy dwie ważne rzeczy” – powiedział Hegade. „Po pierwsze, byliśmy w stanie odjąć promieniowanie i odkryliśmy, że mody gwiazdy neutronowej rzeczywiście tworzą kompletny zestaw. Po drugie, odkryliśmy, że jeśli konsekwentnie rozwiązuje się pewien zestaw równań przy użyciu wystarczająco „gładkiego” pola pływowego, jest to rozwiązanie wnętrza gwiazdy, a w ogólnej teorii względności można zrobić to samo, co w przypadku grawitacji Newtona”.
To nie koniec tej historii. Praca zespołu Yunesa i Hegade’a ma na tym etapie charakter czysto teoretyczny, a obecne detektory fal grawitacyjnych nie są wystarczająco czułe przy wyższych częstotliwościach, aby wykryć ten ślad. Jednak Yunes i Hegade są optymistami, że następna generacja detektorów spełni swoje zadanie.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie 18 lutego Listy z przeglądu fizycznego.
