Op 11 februari 2016 kondigden wetenschappers van de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) de eerste detectie van gravitatiegolven aan. Deze ontwikkeling, die een voorspelling van Einstein's Theory of General Relativity een eeuw geleden bevestigde, heeft nieuwe wegen geopend voor onderzoek voor kosmologen en astrofysici. Sinds die tijd zijn er meer detecties gedaan, die allemaal het gevolg waren van het samensmelten van zwarte gaten.
Volgens een team van astronomen uit Glasgow en Arizona hoeven astronomen zich echter niet te beperken tot het detecteren van golven veroorzaakt door massale zwaartekrachtsfusies. Volgens een onderzoek dat ze onlangs hebben uitgevoerd, zouden het Advanced LIGO, GEO 600 en Virgo gravitatiegolfdetectornetwerk ook de zwaartekrachtgolven kunnen detecteren die door supernova worden gecreëerd. Door dit te doen, zullen astronomen voor het eerst in de harten van ineenstortende sterren kunnen kijken.
De studie, getiteld "Inferring the Core-Collapse Supernova Explosion Mechanism with Three-Dimensional Gravitational-Wave Simulations"), verscheen onlangs online. Onder leiding van Jade Powell, die onlangs haar doctoraat aan het Institute for Gravitational Research van de Universiteit van Glasgow heeft afgerond, stelt het team dat de huidige gravitatiegolf-experimenten de golven moeten kunnen detecteren die door Core Collapse Supernovae (CSNe) zijn gecreëerd.
Ook wel bekend als Type II supernovae, CCSNe is wat er gebeurt wanneer een massieve ster het einde van zijn levensduur bereikt en snel instort. Dit veroorzaakt een enorme explosie die de buitenste lagen van de ster afblaast, waardoor een overblijvende neutronenster achterblijft die uiteindelijk een zwart gat kan worden. Om een ster zo in te laten storten, moet deze minstens 8 keer (maar niet meer dan 40 tot 50 keer) de massa van de zon zijn.
Wanneer dit soort supernova's plaatsvinden, wordt aangenomen dat neutrino's die in de kern worden geproduceerd, gravitatie-energie overbrengen die vrijkomt bij het instorten van de kern naar de koelere buitenste gebieden van de ster. Dr. Powell en haar collega's zijn van mening dat deze zwaartekrachtsenergie kan worden gedetecteerd met huidige en toekomstige instrumenten. Zoals ze in hun studie uitleggen:
“Hoewel er momenteel geen CCSNe is gedetecteerd door zwaartekrachtsgolfdetectoren, geven eerdere studies aan dat een geavanceerd detectornetwerk gevoelig kan zijn voor deze bronnen tot aan de Large Magellanic Cloud (LMC). Een CCSN zou een ideale multi-messenger-bron zijn voor aLIGO en AdV, aangezien neutrino's en elektromagnetische tegenhangers van het signaal zouden worden verwacht. De zwaartekrachtsgolven worden uitgezonden diep in de kern van CCSNe, waardoor astrofysische parameters, zoals de toestandsvergelijking (EOS), kunnen worden gemeten door de reconstructie van het zwaartekrachtsgolfsignaal. ”
Dr. Powell en haar schetsen ook een procedure in hun studie die kan worden geïmplementeerd met behulp van de Supernova model Evidence Extractor (SMEE). Het team heeft vervolgens simulaties uitgevoerd met behulp van de nieuwste driedimensionale modellen van supernova's met zwaartekrachtgolfkern-instorting om te bepalen of achtergrondruis kon worden geëlimineerd en om de CCSNe-signalen correct te detecteren.
Zoals Dr. Powell via e-mail aan Space Magazine uitlegde:
“De Supernova Model Evidence Extractor (SMEE) is een algoritme dat we gebruiken om te bepalen hoe supernovae de enorme hoeveelheid energie krijgen die ze nodig hebben om te exploderen. Het maakt gebruik van Bayesiaanse statistieken om onderscheid te maken tussen verschillende mogelijke explosiemodellen. Het eerste model dat we in het artikel beschouwen, is dat de explosie-energie afkomstig is van de neutrino's die door de ster worden uitgezonden. In het tweede model komt de explosie-energie van snelle rotatie en extreem sterke magnetische velden. ”
Hieruit concludeerde het team dat onderzoekers in een netwerk met drie detectoren de explosiemechanica voor snel roterende supernova's correct konden bepalen, afhankelijk van hun afstand. Op een afstand van 10 kiloparsecs (32.615 lichtjaar) zouden ze signalen van CCSNe met 100% nauwkeurigheid kunnen detecteren, en signalen op 2 kiloparsecs (6.523 lichtjaar) met een nauwkeurigheid van 95%.
Met andere woorden, als en wanneer een supernova plaatsvindt in het lokale sterrenstelsel, zou het wereldwijde netwerk gevormd door de Advanced LIGO, Virgo en GEO 600 gravitatiegolfdetectoren een uitstekende kans hebben om het op te pikken. De detectie van deze signalen zou ook baanbrekende wetenschap mogelijk maken, waardoor wetenschappers voor de eerste keer de binnenkant van exploderende sterren kunnen 'zien'. Zoals Dr. Powell uitlegde:
“De zwaartekrachtgolven worden uitgezonden diep in de kern van de ster waar geen elektromagnetische straling kan ontsnappen. Hierdoor kan een zwaartekrachtsgolfdetectie ons informatie geven over het explosiemechanisme dat niet met andere methoden kan worden bepaald. Mogelijk kunnen we ook andere parameters bepalen, zoals hoe snel de ster draait. '
Dr. Powell, die onlangs haar doctoraat heeft afgerond, zal ook een postdocfunctie bekleden bij het RC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), het gravitatiegolfprogramma van de University of Swinburne in Australië. In de tussentijd zullen zij en haar collega's gerichte zoekers uitvoeren voor supernova's die zich hebben voorgedaan tijdens de eerste en seconden van geavanceerde detectorobservatieruns.
Hoewel er op dit moment geen garanties zijn dat ze de gewilde signalen zullen vinden die zouden aantonen dat supernova's detecteerbaar zijn, heeft het team hoge verwachtingen. En gezien de mogelijkheden die dit onderzoek biedt voor astrofysica en astronomie, staan ze nauwelijks alleen!
