Forskere ved Goethe University Frankfurt har identificeret en ny måde at undersøge det indre af neutronstjerner ved hjælp af gravitationsbølger fra deres kollisioner. Ved at analysere fasen “Long Ringdown”-et rent-tone-signal, der udsendes af den post-ferger-rest-har de fundet en stærk sammenhæng mellem signalets egenskaber og ligningen af tilstand af neutronstjerners stof. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i Naturkommunikation.
Neutronstjerner, med en masse større end for hele solsystemet, der er begrænset inden for en næsten perfekt kugle, bare et dusin kilometer i diameter, er blandt de mest fascinerende astrofysiske genstande, som menneskeheden kender. Alligevel gør de ekstreme forhold i deres interiør deres sammensætning og struktur meget usikker.
Kollisionen af to neutronstjerner, såsom den, der blev observeret i 2017, giver en unik mulighed for at afsløre disse mysterier. Som binære neutronstjerner inspirerer i millioner af år udsender de gravitationsbølger, men den mest intense emission forekommer ved og kun millisekunder efter fusionsmomentet.
Resteren efter fusionen-et massivt, hurtigt roterende objekt dannet af kollisionen-udgør gravitationsbølger i et stærkt, men snævert frekvensområde. Dette signal indeholder afgørende oplysninger om den såkaldte “ligning af tilstand” af nukleare stoffer, der beskriver, hvordan stof opfører sig ved ekstreme tætheder og pres.
Professor Luciano Rezzollas gruppe ved Goethe University Frankfurt opdagede nu, at selv om amplituden af den efter-fusionsgravitationssignal mindskes over tid, bliver det i stigende Slået.
De har benævnt denne fase den “lange ringdown” og identificeret en stærk forbindelse mellem dens unikke egenskaber og egenskaberne for de tætteste regioner i neutronstjernede kerner.
“Ligesom indstillingsgaffler af forskellige materiale vil have forskellige rene toner, vil rester beskrevet af forskellige tilstandsligninger ringe ned ved forskellige frekvenser. Påvisningen af dette signal har således potentialet til at afsløre, hvad neutronstjerner er lavet af,” siger Rezzolla.
“Jeg er især stolt af dette arbejde, da det udgør eksemplariske beviser for ekspertise i Frankfurt- og Darmstadt-baserede forskere i studiet af neutronstjerner, som har været et centralt fokus for de hessiske forskningsklyngeelementer.”
Ved hjælp af avancerede generelle-relativistiske simuleringer af fusion af neutronstjerner med omhyggeligt konstruerede tilstandsligninger demonstrerede forskerne, at analyse af den lange ringdown markant kan reducere usikkerheder i tilstandsligningen ved meget høje tætheder-hvor der ikke er nogen direkte begrænsninger i øjeblikket.
“Takket være fremskridt inden for statistisk modellering og simuleringer med høj præcision på Tysklands mest magtfulde supercomputere har vi opdaget en ny fase af Long Ringdown i Neutron Star-fusioner,” siger Dr. Christian Ecker, første forfatter af undersøgelsen, “Det har den Potentiale til at give nye og strenge begrænsninger for materiens tilstand i neutronstjerner.
Medforfatter Dr. Tyler Gorda tilføjer, “Ved smart valg af et par statlige ligninger var vi i stand til effektivt at simulere resultaterne af et fuldt statistisk ensemble af stofmodeller med betydeligt mindre kræfter. Ikke kun resulterer dette i mindre computertid og Energiforbrug, men det giver os også tillid til, at vores resultater er robuste og vil være gældende for uanset hvilken ligning af tilstand der faktisk forekommer i naturen. “
Mens de nuværende gravitationsbølgedetektorer endnu ikke har observeret efterfølgende signalet, er forskere optimistiske over, at de næste generationsdetektorer, såsom Einstein-teleskopet, der forventes at blive operationelt i Europa inden for det næste årti, vil gøre denne længe ventede detektion mulig . Når det sker, vil Long Ringdown fungere som et kraftfuldt værktøj til at undersøge det gådefulde interiør af neutronstjerner og afsløre materialet i det mest ekstreme hemmeligheder.