Kiedy masywne gwiazdy kończą swoje życie, ich zewnętrzne warstwy eksplodują w spektakularnej supernowej, a pozostałością jest zazwyczaj czarna dziura lub gwiazda neutronowa. Te niezwykle gęste obiekty zawierają masę większą niż cały Układ Słoneczny, skoncentrowaną w obszarze o średnicy zaledwie 20 km. Warunki panujące wewnątrz gwiazd neutronowych wciąż stanowią zagadkę dla astronomów.

W 2017 roku po raz pierwszy wykryto kolizję dwóch gwiazd neutronowych na podstawie fal grawitacyjnych. Od tego momentu naukowcy badają, jak te fale mogą dostarczyć informacji na temat wnętrza tych niezwykłych obiektów. Najnowsze badania zespołu naukowców z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie wykazały, że fale grawitacyjne generowane w pierwszych milisekundach po zderzeniu gwiazd neutronowych mogą być kluczem do rozwiązania tej zagadki.

Badania prowadzone były przez zespół pod kierownictwem prof. Luciano Rezzolli i obejmowały naukowców z Instytutu Fizyki Teoretycznej (ITP), Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) oraz Instytutu Ekstremalnej Materii (EMMI-GSI). Wyniki ich prac zostały opublikowane 3 lutego w „Nature Communications”.

Fale grawitacyjne, przewidziane w Ogólnej Teorii Względności Einsteina, powstają w wyniku zderzeń masywnych obiektów, takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe. Choć gwiazdy neutronowe emitują fale grawitacyjne przez miliony lat przed zderzeniem, największe znaczenie mają te generowane tuż po połączeniu. Właśnie ten sygnał – nazywany „długim wygaszaniem” – może dostarczyć cennych informacji o właściwościach materii w ekstremalnych warunkach.

Zespół badawczy wykazał, że amplituda fal grawitacyjnych zachowuje się jak wibracje kamertonu po uderzeniu, stopniowo przechodząc w pojedynczą częstotliwość. Zaawansowane symulacje komputerowe pozwoliły powiązać ten sygnał z właściwościami najgęstszych regionów wewnątrz gwiazd neutronowych. „To odkrycie toruje drogę do lepszego zrozumienia materii neutronowej, zwłaszcza w miarę wykrywania kolejnych zdarzeń” – podkreślił prof. Rezzolla.

Analiza tej fazy sygnału może znacznie zmniejszyć niepewności dotyczące tzw. równania stanu gwiazd neutronowych. Dr Tyler Gorda, współautor badania, zaznaczył, że symulacje pozwoliły uzyskać precyzyjne wyniki przy znacznie mniejszych nakładach obliczeniowych. „Dzięki temu oszczędzamy czas i energię, jednocześnie upewniając się, że nasze wyniki są solidne i zastosowalne do każdego możliwego modelu materii neutronowej” – dodał Gorda.

Badania te uzupełniają prace prowadzone w ramach projektu ELEMENTS, który łączy instytucje naukowe w Niemczech w celu badania zarówno cząstek elementarnych, jak i wielkich struktur kosmicznych. Jego celem jest znalezienie źródeł ciężkich pierwiastków we Wszechświecie, takich jak złoto i platyna.

Obecnie żadne obserwatorium fal grawitacyjnych nie wykryło sygnałów pochodzących z długiego wygaszania, ale naukowcy liczą, że przyszłe detektory to umożliwią. Należy do nich planowany Einstein Telescope (ET), podziemne obserwatorium, które ma rozpocząć pracę w kolejnej dekadzie, oraz Laser Interferometer Space Antenna (LISA) – pierwszy kosmiczny detektor fal grawitacyjnych, który Europejska Agencja Kosmiczna planuje uruchomić do 2035 roku. Dzięki tym instrumentom możliwe będzie dokładniejsze badanie ekstremalnych warunków fizycznych panujących wewnątrz gwiazd neutronowych.

Źródło: Universe Today