LIGO caută aceste 8 surse de unde gravitaționale

Căutătorii undelor gravitaționale se află într-o vânătoare cosmică de scavenger.

De când Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru cu laser avansat a pornit în 2015, fizicienii au surprins aceste valuri în spațiu-timp de la mai multe fiare gravitaționale exotice – iar oamenii de știință doresc mai multe.

Săptămâna aceasta, LIGO și observatorul său partener, Virgo, au anunțat cinci noi posibile detectări de unde gravitaționale într-o singură lună, făcând ceea ce odată a fost un obiectiv de zeci de ani aproape obișnuit (SN Online: 5/2/19).

„Abia începem să vedem deschis câmpul astronomiei undelor gravitaționale”, a declarat purtătorul de cuvânt al LIGO, Patrick Brady, de la Universitatea Wisconsin-Milwaukee, pe 2 mai, într-o conferință de presă. „Deschiderea unei noi ferestre asupra universului ca aceasta ne va aduce, sperăm, o perspectivă cu totul nouă asupra a ceea ce este acolo.”

Viteza și înălțimea semnalelor undelor gravitaționale le permit astronomilor să descopere ce provoacă valurile. Iată sursele undelor gravitaționale pe care oamenii de știință le au deja în rețelele lor și ceea ce încă mai speră să găsească.

1. Perechi de găuri negre care se ciocnesc

Stare: găsit

Prima captură a LIGO a fost o pereche de găuri negre care se ciocnesc, fiecare de aproximativ 30 de ori masa soarelui (SN: 3/5/16, str. 6). Experimentul a detectat vibrații de la găurile negre care fuzionează pe 14 septembrie 2015, cu patru zile înainte de începerea oficială a observațiilor pentru LIGO proaspăt modernizat.

Acea primă descoperire a dovedit că obiectele masive, în mișcare, scutură, de fapt, spațiu-timp pentru a produce unde gravitaționale, așa cum a prezis Einstein cu un secol mai devreme. Nu numai că, descoperirea a demonstrat că experimentele de pe Pământ ar putea detecta acele unde, lucru despre care Einstein a fost sceptic. Trei dintre fondatorii LIGO au primit Premiul Nobel pentru fizică în 2017 pentru detectarea (SN: 28.10.17, str. 6).

În total, LIGO și Virgo au detectat unde gravitaționale din 10 perechi confirmate de găuri negre care se ciocnesc, plus încă trei candidați obținute în ultima lună.

2. Perechi de stele neutronice care se ciocnesc

Stare: găsit

Se credea că o pereche de stele neutronice care fuzionează, cadavrele stelare dense ale stelelor masive care au murit într-o supernovă, ar putea declanșa, de asemenea, unde gravitaționale. Apoi, în august 2017, echipa LIGO-Virgo a surprins prima instanță cunoscută a unui astfel de eveniment, iar o a doua pe 25 aprilie (SN: 11/11/17, str. 6).

CHIP COSMIC Undele gravitaționale sunt analoge cu undele sonore. Dacă urechile umane ar putea auzi undele create de o pereche de stele neutronice care se ciocnesc, ele ar suna ca un zgomot scăzut în timp ce stelele neutronice se învârteau între ele. Apoi, sunetul avea să crească în înălțime pe măsură ce stelele se apropiau din ce în ce mai mult, culminând cu un „ciripit” slab pe măsură ce obiectele se îmbinau (aproximativ 29 de secunde).

Institutul Max Planck pentru fizica gravitațională

Observațiile ulterioare cu telescoape care sunt sensibile la lumină din spectrul electromagnetic au dezvăluit detalii ascunse ale primei stele cu neutroni, inclusiv faptul că coliziunea a produs elemente prețioase precum aurul, argintul și platina.

3. O stea neutronică care se prăbușește într-o gaură neagră

Stare: Poate

Un alt tip de fuziune care ar putea genera ondulații în spațiu-timp este ca vârtejul de ciocolată-vanilie de la un stand de înghețată: o gaură neagră și o stea neutronică care se contopesc într-un singur obiect. Observatoarele au văzut o posibilă semnătură a acestui tip de fuziune pe 26 aprilie, dar semnalul a fost prea slab pentru ca oamenii de știință să fie siguri.

Dacă echipa confirmă că acel semnal reprezintă într-adevăr o gaură neagră și un vârtej de stele neutroni, ar dovedi că cele două tipuri de obiecte pot trăi unul lângă altul. Înainte de fuziune, gaura neagră și steaua neutronică ar fi trebuit să se orbiteze una pe cealaltă într-un sistem binar apropiat.

„Am fi surprinși dacă nu ar exista, dar nu am văzut una” dintre aceste combinații, spune Christopher Berry, membru al echipei LIGO, de la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois.

Studierea unui astfel de sistem ar putea ajuta la iluminarea materialului misterios numit paste nucleare care formează stelele neutronice (SN: 27/10/18, str. 8). „Stelele cu neutroni sunt cam ca niște nuclee atomice gigantice. Nu se aseamănă cu ceea ce putem crea pe Pământ”, spune Berry. Fuziunea stelelor cu neutroni observată în 2017 a oferit câteva detalii despre machiajul stelelor (SN: 23/12/17, str. 7), inclusiv masa lor maximă și moale. Spionarea unei fuziuni între o gaură neagră și o stea cu neutroni ar putea arăta cum se deformează o stea neutronică în apropierea gravitației extreme a unei găuri negre, o altă piesă a puzzle-ului despre modul în care se comportă pastele nucleare.

4. O coliziune care implică o gaură neagră de masă intermediară

Stare: Nu încă

Toate găurile negre pe care LIGO și Virgo le-au detectat până acum au fost de masă stelară, ceea ce înseamnă că de obicei cântăresc mai puțin de 100 de ori masa soarelui. Fizicienii cunosc, de asemenea, găurile negre supermasive care cântăresc de milioane sau miliarde de ori masa Soarelui (SN: 27.04.19, str. 6). Dar nu este clar dacă există găuri negre cu mase între ele.

Astfel de găuri negre de masă intermediară „ar putea fi legătura dintre găurile negre de masă stelare și găurile negre supermasive din centrele galaxiilor”, a declarat Giovanni Andrea Prodi, membru al echipei Virgo, de la Universitatea din Trento, în Italia, la 2 mai, la o conferință de presă.

Cercetările anterioare au văzut indicii ale unor astfel de găuri negre de greutate medie, dar o coliziune detectată cu undele gravitaționale ar fi o dovadă mai definitivă. Dacă nu există, „este foarte interesant”, spune Berry, pentru că ar însemna că găurile negre supermasive trebuie să se fi născut mai mari decât pot explica fizicienii (SN Online: 3/16/18).

5. O stea neutronică accidentată

Stare: Nu încă

O altă modalitate de a fura secretele misterioasei paste nucleare ale stelelor neutronice este de a detecta „munti” în miniatură pe suprafețele lor. Toate obiectele masive care accelerează generează unde gravitaționale, dar cele mai multe dintre ele sunt prea slabe pentru a fi detectate. Fizicienii cred că o stea neutronică singuratică cu o ușoară imperfecțiune pe ea, ca o umflătură înaltă de aproximativ un milimetru, ar emite unde gravitaționale detectabile în timp ce se învârte. Astfel de valuri ar putea ajuta să știe cât de rigid poate fi materialul stelelor neutronice, pentru a susține denivelările.

Spre deosebire de majoritatea celorlalte surse de pe această listă, stelele de neutroni accidentate ar produce unde gravitaționale continue, detectate ca un „zumzet” constant de către observatoare.

6. Explozii de supernove

Stare: Nu încă

LIGO și Fecioara ar putea, de asemenea, să capteze undele gravitaționale din exploziile supernovelor, cataclismele strălucitoare de la sfârșitul vieții stelelor masive.

Supernovele emit multe tipuri de lumină și particule, inclusiv particule subatomice fantomatice numite neutrini care se nasc adânc în inima exploziilor (SN: 18.2.17, str. 20). Dar oamenii de știință încă nu știu exact ce face ca o stea să explodeze ca supernovă, în primul rând.

STARBURST SNAPS Astronomii s-au uitat bine la o supernovă din apropiere în 1987, când o stea a explodat în Marele Nor Magellanic din apropiere (prezentat în această imagine de la Observatorul Aeropurtat Kuiper al NASA). Oamenii de știință ar putea într-o zi să repereze o explozie de supernovă folosind observatoare de unde gravitaționale, aruncând lumină asupra evenimentului puternic. Centrul de cercetare Ames al NASA

Ceea ce știu ei este că în timpul exploziei unei supernove, nucleul central al stelei se prăbușește, iar steaua proto-neutronă rezultată adună material din restul nucleului care se prăbușește. Turbulența de la suprafața stelei proto-neutroni o face să vibreze ca un clopot, trimițând unde gravitaționale. Semnalul specific al undei gravitaționale este strâns legat de puterea turbulenței și de structura stelei neutronice în curs de dezvoltare, a raportat astrofizicianul David Radice de la Universitatea Princeton și colegii săi, pe 29 aprilie Scrisori din jurnalul astrofizic.

„Undele gravitaționale, neutrinii și lumina de la următoarea supernova galactică ne-ar putea permite să înțelegem structura stelei care explodează și natura mecanismului care alimentează explozia acesteia”, spune Radice.

Problema este că o supernova ar trebui să fie destul de aproape, în propria noastră galaxie Calea Lactee, pentru ca actualele detectoare LIGO să o prindă. Și astronomii nu știu când se va întâmpla următoarea supernovă (SN: 18.2.17, str. 24).

„Rata de detecție așteptată este de doar aproximativ două pe secol, așa că va trebui să fim cu adevărat norocoși sau foarte răbdători”, spune Radice.

7. Valuri declanșate de Big Bang

Stare: Nu încă

Fizicienii se așteaptă ca multe mici unde gravitaționale din tot universul să se prăbușească pe Pământ tot timpul. Aceste valuri formează un fundal aleatoriu de unde gravitaționale, ca un amestec de voci într-o cameră aglomerată.

Fizicienii cred că cel puțin unele dintre aceste voci provin din Big Bang. Detectarea undelor gravitaționale relicve generate de Big Bang în sine ar însemna să ne întoarcem mai departe în istoria universului decât oricând înainte. Dar va fi dificil să tachinezi acel semnal în afară de toate celelalte.

„Pe măsură ce obțineți un detector mai sensibil, este posibil să puteți identifica voci individuale”, spune Berry. „În prezent, este o problemă nerezolvată.”

8. Surse noi?

Stare: Nu încă

Există încă posibilitatea ca detectoarele să capteze unde gravitaționale dintr-o sursă pe care oamenii de știință nu o recunosc. De fiecare dată când cercetătorii au privit universul într-un mod nou, au descoperit ceva ce nu au prezis, spune Berry. „Acum ne uităm în unde gravitaționale, un tip complet diferit de radiație”, spune el. „Ar putea fi puțin arogant să credem că știm tot ce este acolo.”