Forscher bringen die wissenschaftliche Gemeinschaft näher zum Verständnis von Doppelsternfusionen

Data Limite Segundo Chico Xavier [CM+P] (March 2019).

Anonim

Stellen Sie sich vor, Sie kennen nur 15 Menschen auf der Welt, und wenn Sie mehr Menschen entdecken, erweitert sich Ihr Wissen. Wissenschaftler, die unsere Galaxie untersuchen, sehen sich ähnlich, wenn sie Entdeckungen machen, die unser Verständnis des Universums aufbauen.

Maura McLaughlin und Duncan Lorimer, Professoren für Physik und Astronomie an der West Virginia University, haben ein neues Paar von Pulsaren entdeckt und die Eigenschaften eines anderen neuen Duos verfolgt. Ihre Forschung wird Einblicke in das Verständnis dessen liefern, wie viele dieser Systeme existieren und in welcher Geschwindigkeit sie sich in unserer Galaxie vereinigen.

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Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die Überreste massereicher Sterne, die als Supernovae explodiert sind.

Wenn sich zwei Pulsare umkreisen, können ihre Bahnen sehr elliptisch sein, ähnlich wie Merkurs Umlaufbahn um die Sonne, aber die Gravitationsanziehung zwischen den beiden massiven Objekten zieht sie allmählich näher heran, bis sie ineinander übergehen. Die Kollision ist so immens, dass sie Wellen durch Raum und Zeit sendet.

"Diese Pulsare bewegen sich sehr schnell umeinander", sagte Lorimer. "So schnell, dass sie anfangen, unser Verständnis von Schwerkraft zu testen."

Kosmische Zählung

Es gibt 2.500 Pulsare aller Arten in der Milchstraße, aber unter ihnen sind binäre Systeme selten zu finden. Wissenschaftler haben nur 15 entdeckt, aber sie glauben, dass es bis zu 100.000 sein könnte.

McLaughlin und Mitarbeiter von Universitäten in den USA und im Ausland entdeckten in einer Langzeitstudie mit dem Arecibo-Observatorium in Puerto Rico ein neues Binärsystem.

"Die Entdeckung von doppelten Neutronensternen, die sich gegenseitig umkreisen, ist wichtig", sagte McLaughlin. "Aber unsere Entdeckung ist auch extrem in dem Sinne, dass sie eine kurze Umlaufperiode hat, was sie für Tests der Schwerkraft potenziell aufregend macht."

Die binäre Umlaufbahn für diese Entdeckung ist 1, 88 Stunden. Dies ist die kürzeste Umlaufbahn eines Doppel-Neutronenstern-Binärsystems.

Durch das Beobachten von binären Systemen gewinnen Wissenschaftler Verständnis für Extreme - wie Dichten und magnetische Stärken -, die auf der Erde nicht auftreten. Diese neue Entdeckung verleiht Einsteins Relativitätstheorie und dem Verständnis von Gravitation insgesamt ein neues Verständnis.

Massive Fusion

In einigen Fällen sind Neutronensterne in binären Systemen so weit voneinander entfernt, dass sie nicht ineinander übergehen und sich im Laufe der Zeit nicht wesentlich in der Trennung ändern. Aber in sechs der Systeme bewegen sich die Pulsare so schnell und ihre Anziehungskraft ist so stark, dass sie sich schließlich vereinigen werden.

"Sie nähern sich sehr allmählich, einige Millimeter pro Tag zwischen ihnen." Lorimer sagte. "Das bedeutet, dass in 100 Millionen Jahren - aus Sicht des Astronomen nicht lange - sie kollidieren werden."

Also, was ist das Ergebnis der Verschmelzung zweier Neutronensterne?

Die Verschmelzung dieser beiden massiven, dichten Objekte ist ebenso spektakulär wie gewalttätig. Wenn ihre Umlaufbahn enger wird, reißen sie sich gegenseitig auseinander und verlieren Energie, die in Form von Gravitationswellen emittiert wird.

Im vergangenen Herbst entdeckte das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, bekannt als LIGO, direkt Gravitationswellen von einer Kollision zweier Neutronensterne jenseits der Milchstraße.

Sean McWilliams, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie, und Zachariah Etienne, Assistenzprofessor für Mathematik, und mehrere WVU-Doktoranden sind Teil des LIGO-Forschungsteams.

Durch die Beobachtung der Kollision der Neutronensterne können die Wissenschaftler verstehen, wie extreme Materie, extreme Gravitation und elektromagnetische Energie miteinander interagieren.

"Die binären Systeme, die Wissenschaftler in der Milchstraße entdecken, sind Prototypen dieser gewaltsamen Zusammenschlüsse, die Instrumente wie LIGO außerhalb unserer Galaxie entdecken", sagte Lorimer. "Daraus können wir viel lernen."

Eine andere Art von Teleskop

Pulsare sind extrem dicht, und wenn sie sich drehen, senden sie Strahlen von Radiowellen aus, die wie Signale eines Leuchtturms durch den Raum streichen.

Wissenschaftler verwenden Radioteleskope, die extrem empfindliche wissenschaftliche Instrumente sind, um elektromagnetische Strahlung aus dem Weltraum zu erkennen.

In den Anfangsdaten gibt es wenig Unterschiede zwischen regulären Pulsaren und binären Systemen. Aber es gibt Hinweise in den Messungen der Rotationsperiode.

"In einem binären System sehen Sie normalerweise nicht beide Pulsare, weil normalerweise nur eine auf das Teleskop gerichtet ist", sagte Lorimer. "Aber Sie sehen eine Spin-Periode, die normalerweise viel kleiner ist als ein durchschnittlicher Pulsar und sich aufgrund von Doppler-Verschiebungen schnell ändert und die Neutronensterne sich umkreisen."

Bei der Arecibo-Untersuchung verwendete das Teleskop sieben Kameras, um verschiedene Himmelsbereiche zu bestimmten Zeiten systematisch zu beobachten, sodass das Instrument mehr Himmel als normal abdecken konnte. In fast 15 Jahren hat die Umfrage 170 Pulsare entdeckt.

McLaughlin, Lorimer und WVU-Doktorand Nihan Pol verfolgten ein weiteres neues binäres System, das von Forschern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Deutschland erstellt wurde und die Daten des Parkes-Teleskops in Australien verwendete.

Wissenschaftler betreiben Nachfolgeforschung mit jedem Pulsar, aber als Forscher des Max-Planck-Instituts schnell feststellten, dass sie ein neues Doppelsternsystem entdeckt hatten, wollten sie tiefer gehende Messungen durchführen.

McLaughlin und Lorimer nutzten Daten aus dem Green Bank Telescope, um die ungefähren Parameter des Systems zu bestimmen, wie etwa seine Umlaufbahngeschwindigkeit, Ankunftszeiten und Zerfall.

"Wir müssen systematische Follow-up-Beobachtungen machen und versuchen, so viel wie möglich über diese Objekte zu messen. Schließlich werden wir Veränderungen oder Signale sehen, die uns helfen, die Umlaufbahn zu bestimmen", sagte Lorimer. "Es ist ein langfristiger Prozess. Es dauert etwa ein Jahr, um die Auswirkungen der Erdumlaufbahn zu entwirren."

Blick nach vorne (und oben)

Beide Systeme geben uns jetzt neue Einblicke in die Geschwindigkeit, mit der Doppel-Neutronensterne verschmelzen.

Das mit dem Arecibo-Observatorium entdeckte System befindet sich in einer sehr kreisförmigen Umlaufbahn, während das mit dem Parkes-Teleskop entdeckte System in einer sehr exzentrischen, ovalen Umlaufbahn ist. Das Wissen um ihre Eigenschaften und die Eigenschaften anderer Systeme bietet bessere Bedingungen für das Verständnis der Fusionsrate in der Milchstraße.

McLaughlin, Nihan Pol und Lorimer verwenden diese Informationen, um Vorhersagen über die erwartete Nachweisrate von Gravitationswellen aus Doppel-Neutronensternfusionen im lokalen Universum mit LIGO zu treffen.

Ihre Schätzungen zeigen, dass LIGO in den nächsten Jahren viele Doppel-Neutronenstern-Fusionen entdecken wird. "Dies wird uns ein komplementäres Bild dieser energetischen Ereignisse sowohl in elektromagnetischen Wellen als auch in Gravitationswellen liefern und uns noch mehr Einblicke geben, wie extreme Gravitation funktioniert", sagte McLaughlin.

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