Op 11 februari, 2016, wetenschappers van de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) kondigden de eerste detectie van zwaartekrachtsgolven aan. Deze ontwikkeling, die een voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie een eeuw geleden bevestigde, heeft nieuwe wegen voor onderzoek geopend voor kosmologen en astrofysici. Sinds die tijd, er zijn meer detecties gedaan, waarvan werd gezegd dat ze allemaal het resultaat waren van het samensmelten van zwarte gaten.

Echter, volgens een team van astronomen uit Glasgow en Arizona, astronomen hoeven zich niet te beperken tot het detecteren van golven veroorzaakt door massale zwaartekrachtfusies. Volgens een onderzoek dat ze onlangs produceerden, de geavanceerde LIGO, GEO 600, en Virgo-zwaartekrachtgolfdetectornetwerk zou ook de zwaartekrachtsgolven kunnen detecteren die door supernova zijn gecreëerd. Door dit te doen, astronomen zullen voor het eerst in de harten van instortende sterren kunnen kijken.

De studie, getiteld "Het afleiden van het kern-instorting supernova-explosiemechanisme met driedimensionale zwaartekracht-golfsimulaties, " verscheen onlangs online. Onder leiding van Jade Powell, die onlangs haar Ph.D. aan het Institute for Gravitational Research aan de Universiteit van Glasgow, het team stelt dat de huidige zwaartekrachtsgolfexperimenten in staat moeten zijn om de golven te detecteren die worden gecreëerd door kerninstortingssupernova's (CSNe).

Ook wel bekend als Type II supernova's, CCSne is wat er gebeurt als een massieve ster het einde van zijn levensduur bereikt en een snelle ineenstorting ervaart. Dit veroorzaakt een enorme explosie die de buitenste lagen van de ster wegblaast, een overblijfsel achterlatend neutronenster die uiteindelijk een zwart gat kan worden. Om een ​​ster zo'n instorting te laten ondergaan, het moet minstens 8 keer (maar niet meer dan 40 tot 50 keer) de massa van de zon zijn.

Wanneer dit soort supernova's plaatsvinden, er wordt aangenomen dat neutrino's die in de kern worden geproduceerd, zwaartekracht-energie die vrijkomt bij het instorten van de kern, overbrengen naar de koelere buitenste regionen van de ster. Dr. Powell en haar collega's zijn van mening dat deze zwaartekrachtsenergie kan worden gedetecteerd met behulp van huidige en toekomstige instrumenten. Zoals ze in hun studie uitleggen:

"Hoewel er momenteel geen CCS Ne is gedetecteerd door zwaartekrachtgolfdetectoren, eerdere studies geven aan dat een geavanceerd detectornetwerk gevoelig kan zijn voor deze bronnen tot aan de Grote Magelhaense Wolk (LMC). Een CCSN zou een ideale multi-messenger-bron zijn voor aLIGO en AdV, als neutrino en elektromagnetische tegenhangers van het signaal zou worden verwacht. De zwaartekrachtsgolven worden uitgezonden vanuit diep in de kern van CCSne, die astrofysische parameters mogelijk maken, zoals de toestandsvergelijking (EOS), te meten aan de hand van de reconstructie van het zwaartekrachtgolfsignaal."

Dr. Powell en zij schetsen ook een procedure in hun onderzoek die zou kunnen worden geïmplementeerd met behulp van het Supernova-model Evidence Extractor (SMEE). Het team voerde vervolgens simulaties uit met behulp van de nieuwste driedimensionale modellen van supernovae die de kern van zwaartekrachtgolven instorten om te bepalen of achtergrondruis kon worden geëlimineerd en of CCSne-signalen op de juiste manier konden worden gedetecteerd.

Zoals Dr. Powell via e-mail aan Universe Today heeft uitgelegd:

"De Supernova Model Evidence Extractor (SMEE) is een algoritme dat we gebruiken om te bepalen hoe supernova's de enorme hoeveelheid energie krijgen die ze nodig hebben om te exploderen. Het gebruikt 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."

Van dit, het team concludeerde 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 kiloparsec (32, 615 lichtjaar) zouden ze signalen van CCS Ne met 100% nauwkeurigheid kunnen detecteren, en signalen op 2 kiloparsec (6, 523 lichtjaar) met een nauwkeurigheid van 95%.

Met andere woorden, of en wanneer een supernova plaatsvindt in de lokale melkweg, het wereldwijde netwerk gevormd door de Advanced LIGO, Virgo en GEO 600 zwaartekrachtgolfdetectoren zouden een uitstekende kans hebben om het op te pikken. De detectie van deze signalen zou ook baanbrekende wetenschap mogelijk maken, waardoor wetenschappers voor het eerst de binnenkant van exploderende sterren kunnen "zien". Zoals Dr. Powell uitlegde:

"De zwaartekrachtgolven worden uitgezonden vanuit diep in de kern van de ster waar geen elektromagnetische straling kan ontsnappen. Hierdoor kan een zwaartekrachtgolfdetectie ons informatie geven over het explosiemechanisme die niet met andere methoden kan worden bepaald. Mogelijk kunnen we ook andere parameters bepalen, zoals hoe snel de ster draait."

Dr. Powell, heeft onlangs haar doctoraat afgerond en zal ook een postdoc-positie innemen bij het RC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), het zwaartekrachtgolfprogramma georganiseerd door de Universiteit van Swinburne in Australië. Ondertussen, zij en haar collega's zullen gerichte zoekacties uitvoeren naar supernova's die plaatsvonden tijdens de eerste en seconden geavanceerde waarnemingsruns van de detector.

Hoewel er op dit moment geen garanties zijn dat ze de gewilde signalen zullen vinden die zouden aantonen dat supernova's detecteerbaar zijn, het team heeft hoge verwachtingen. En gezien de mogelijkheden die dit onderzoek biedt voor astrofysica en astronomie, ze zijn nauwelijks alleen!