Den 11. februar 2016 annoncerede forskere ved Laser Interferometer Gravitations-Wave Observatory (LIGO) den første detektion af gravitationsbølger. Denne udvikling, som bekræftede en forudsigelse, der blev foretaget af Einsteins teori om generel relativitet for et århundrede siden, har åbnet nye muligheder for forskning for kosmologer og astrofysikere. Siden den tid er der blevet foretaget flere detektioner, som alle siges at være resultatet af, at sorte huller fusionerede.
Ifølge et team af astronomer fra Glasgow og Arizona behøver astronomer imidlertid ikke at begrænse sig til at opdage bølger forårsaget af massive tyngdepunktfusioner. Ifølge en undersøgelse, de for nylig har produceret, kunne Advanced LIGO, GEO 600 og Virgo gravitationsbølgedetektor-netværket også registrere de tyngdepunktbølger, der blev skabt af supernova. Dermed vil astronomer kunne se inde i sammenbrudne stjerners hjerter for første gang.
Undersøgelsen, med titlen “Inferring the Core-Collapse Supernova Explosion Mechanism with Three-Dimensional Gravitational-Wave Simulations”, dukkede for nylig online. Anført af Jade Powell, der for nylig afsluttede sin ph.d. ved Institute for Gravitational Research ved University of Glasgow, argumenterer holdet for, at aktuelle gravitationsbølgeforsøg burde være i stand til at opdage bølger skabt af Core Collapse Supernovae (CSNe).
Ellers kendt som Type II-supernovaer, er CCSNe, hvad der sker, når en massiv stjerne når slutningen af sin levetid og oplever hurtig sammenbrud. Dette udløser en massiv eksplosion, der sprænger de ydre lag af stjernen og efterlader en resterende neutronstjerne, der til sidst kan blive et sort hul. For at en stjerne skal gennemgå en sådan sammenbrud, skal den være mindst 8 gange (men ikke mere end 40 til 50 gange) solens masse.
Når disse typer supernovaer finder sted, antages det, at neutrinoer, der produceres i kernen, overfører gravitationsenergi frigivet ved kerne kollaps til de køligere ydre områder af stjernen. Dr. Powell og hendes kolleger mener, at denne gravitationsenergi kunne detekteres ved hjælp af nuværende og fremtidige instrumenter. Som de forklarer i deres undersøgelse:
”Selvom der i øjeblikket ikke er påvist nogen CCSNe ved hjælp af detektorer med gravitationsbølger, indikerer tidligere undersøgelser, at et avanceret detektornetværk kan være følsomt over for disse kilder til Stor Magellanic Cloud (LMC). En CCSN ville være en ideel multi-messenger kilde til aLIGO og AdV, da neutrino og elektromagnetiske modstykker til signalet kunne forventes. Gravitationsbølgerne udsendes fra dybt inde i kernen i CCSNe, hvilket kan tillade, at astrofysiske parametre, såsom tilstandens ligning (EOS), måles fra genopbygningen af gravitationsbølgesignalet. ”
Dr. Powell og hende skitserer også en procedure i deres undersøgelse, der kunne implementeres ved hjælp af Supernova-modellen Evidence Extractor (SMEE). Holdet udførte derefter simuleringer ved hjælp af de nyeste tredimensionelle modeller af gravitationsbølgekernekolluntsupernovaer for at bestemme, om baggrundsstøj kunne fjernes og korrekt detektion af CCSNe-signaler blev foretaget.
Som Dr. Powell forklarede til Space Magazine via e-mail:
”Supernova Model Evidence Extractor (SMEE) er en algoritme, som vi bruger til at bestemme, hvordan supernovaer får den enorme mængde energi, de har brug for at eksplodere. Den bruger Bayesianske statistikker til at skelne mellem forskellige mulige eksplosionsmodeller. Den første model, vi overvejer i papiret, er, at eksplosionsenergien kommer fra de neutrinoer, der udsendes af stjernen. I den anden model kommer eksplosionenergien fra hurtig rotation og ekstremt stærke magnetfelter. ”
Fra dette konkluderede holdet, at forskere i et tre-detektornetværk korrekt kunne bestemme eksplosionsmekanikken for hurtigt roterende supernovaer, afhængigt af deres afstand. I en afstand af 10 kiloparsecs (32.615 lysår) ville de være i stand til at registrere signaler om CCSNe med 100% nøjagtighed og signaler ved 2 kiloparsecs (6.523 lysår) med 95% nøjagtighed.
Med andre ord, hvis og når en supernova finder sted i den lokale galakse, ville det globale netværk dannet af avancerede LIGO-, Virgo- og GEO 600-gravitationsbølgedetektorer have en fremragende chance for at komme op på den. Opdagelsen af disse signaler ville også give mulighed for en banebrydende videnskab, der gør det muligt for forskere at "se" inde i eksploderende stjerner for første gang. Som Dr. Powell forklarede:
”Gravitationsbølgerne udsendes fra dybt inde i stjernens kerne, hvor ingen elektromagnetisk stråling kan undslippe. Dette gør det muligt for en gravitationsbølgedetektion at fortælle os oplysninger om eksplosionsmekanismen, som ikke kan bestemmes med andre metoder. Vi kan muligvis også bestemme andre parametre, såsom hvor hurtigt stjernen roterer. ”
Dr. Powell, der for nylig har afsluttet sit arbejde med sin ph.d., vil også tiltræde en postdoc-stilling hos RC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), det gravitationsbølgeprogram, der er vært for University of Swinburne i Australien. I mellemtiden fører hun og hendes kolleger målrettede søgere efter supernovaer, der opstod i løbet af den første og sekunders avancerede detektor, der observerede kørsler.
Selvom der ikke er nogen garantier på dette tidspunkt, at de vil finde de efterspurgte signaler, der viser, at supernovaer er detekterbare, har teamet store forhåbninger. Og i betragtning af de muligheder, denne forskning indeholder for astrofysik og astronomi, er de næppe alene!
