Gravitationsvågsradar kan undersöka djup rymden efter små stjärnobjekt | Vetenskap

Teoretiska fysiker har upptäckt ett nytt sätt att testa Albert Einsteins gravitationsteori, eller allmänna relativitetsteori, och – bara kanske – undersöka det avlägsna universum efter små, svårupptäckta föremål. gravitationsvågor– krusningar i rymden sätter igång när massiva föremål som svarta hål virvlar ihop och kolliderar – borde studsa av andra massiva föremål för att producera ekon av signaler som kommer direkt till jorden, förutspår teoretiker. Sådana “gravitationsreflektioner” skulle kunna fungera som radar för att upptäcka vita dvärgar, neutronstjärnor och andra svårsedda stjärnlik bortom vår galax.

Om allmän relativitet är korrekt måste ekot existera på någon nivå, säger Craig Copi, en teoretisk fysiker vid Case Western Reserve University och huvudförfattare till tidningen. Ändå, varnar han, “det här garanterar inte att det är observerbart”.

Enligt allmän relativitetsteori förvränger massiva objekt som stjärnor och planeter rumtiden för att skapa den effekt vi kallar gravitation. När två massiva föremål som ett par svarta hål virvlar ihop bör kollisionen skicka ut gravitationsvågor i alla riktningar.

Sedan 2015 har forskare kunnat upptäcka dessa otroligt svaga vågor, med hjälp av enorma L-formade optiska instrument som kallas interferometrar, som de två vid Laser Gravitational Wave Interferometric Observatory (LIGO) i Louisiana och Washington State, och Virgo Detector nära Pisa, Italien. Tillsammans observerade detektorerna dussintals flyktiga gravitationsvågsignalermest från sammanslagning av två svarta hål.

Men ibland borde en sådan signal åtföljas av ett stort eko som kommer en bråkdel av en sekund senare, förutspår Copi och Case Western-teoretikern Glenn Starkman. De betraktar ett kompakt föremål som en vit dvärg eller neutronstjärna som är i närheten, men inte direkt i siktlinjen för de smälta svarta hålen. Med hjälp av allmän relativitet beräknar de att gravitationsvågorna som sprids av föremålet kan återge signalen som kommer direkt från källande rapporterar denna vecka i Fysiska undersökningsbrev.

graf som visar gravitationsvågor från en sammanslagning av svarta hål
C.BICKEL/VETENSKAP

Fysiken är subtil. Vågorna sprids inte från föremålets material – som de korsar rakt igenom – utan från föremålets gravitationsfält. Teoretiker hade tidigare räknat ut att spridning från ett oändligt litet punktobjekt som ett svart hål endast skulle ge mycket svag spridning. Detta beror förmodligen på den specifika matematiska karaktären hos fältet från en punktkälla, vars styrka varierar notoriskt omvänt med kvadraten på avståndet till punkten.

Istället för en punkt analyserade Copi och Starkman spridningen av ett tätt sfäriskt föremål mer som ett bowlingklot. De förväntade sig att det också skulle producera ett eko för litet för att upptäcka. “Det chockerande vi hittade är att det inte är det”, säger Copi. Nyckeln till effekten är att inom sfären ändras gravitationsfältet från källans punktform, förklarar han.

Andra typer av ekon kan vara möjliga. Vissa fysiker har beräknat att om den allmänna relativitetsteorien förändras på vissa sätt av kvantmekaniken, så borde svansen av signalen från sammanslagning av två svarta hål uppvisa pulserande efterklang. Men denna effekt kräver ny fysik och producerar en sekvens av ofullkomliga ekon. Gravitationsglöden producerar ett enda, troget eko av hela signalen, konstaterar Madeline Wade, en gravitationsvågsfysiker vid Kenyon College. “Jag har aldrig hört talas om en sådan här förutsägelse, var [the echo] är ett slags signal copy-paste med viss fördröjning.

Det finns ett annat standardsätt att producera flera signaler, säger Neil Cornish, en gravitationsvågsastronom vid Montana State University. Om ett tätt föremål är exakt längs siktlinjen för en källa till gravitationsvågor, kan det fungera som en lins för att producera flera “bilder” av händelsen. Men, säger han, oddsen för att se en sådan linshändelse borde vara mycket lägre.

Om man antar nominella populationer av neutronstjärnor, vita dvärgar och andra kompakta objekt, bör ett eko som är en tredjedel av storleken på den ursprungliga signalen åtfölja ungefär en av 225 gravitationsvåghändelser, uppskattar Copi och Starkman. Så ett eller två stora ekon kan ligga på lur i de 90 händelser som LIGO och Jungfrun redan har sett, säger Leslie Wade, LIGO-medlem och gravitationsvågsfysiker vid Kenyon. Således förbereder vadarna sig för att fiska efter dem. “Gevinsten är stor medan kostnaden för att hitta dessa saker skulle vara låg”, säger Leslie Wade, “Så låt oss gå.”

Cornish, också en LIGO-medlem, noterar att de ständigt förbättrade detektorerna förväntas ta upp tusentals händelser under det kommande decenniet. Att bara se en eller två höjdpunkter skulle fungera som ett slags “gradar” för att ge forskare en grov uppskattning av hur många kompakta objekt som neutronstjärnor och vita dvärgar som finns långt bortom vår galax, säger han. “Det är lite som att den blinde känner lukten av elefanten”, säger Cornish. “Du blir inte som en supervass sond här, men det skulle ändå vara information vi annars inte skulle ha.”

Leave a Comment