In een recent gepubliceerde studie, een team van onderzoekers onder leiding van het ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) aan de Monash University stelt een innovatieve methode voor om zwaartekrachtsgolven van fusies van neutronensterren te analyseren, waar twee sterren worden onderscheiden door type (in plaats van massa), afhankelijk van hoe snel ze draaien.

Neutronensterren zijn extreem dichte stellaire objecten die worden gevormd wanneer gigantische sterren exploderen en sterven - tijdens de explosie, hun kernen storten in, en de protonen en elektronen smelten in elkaar om een ​​overblijfsel neutronenster te vormen.

in 2017, het samensmelten van twee neutronensterren, genaamd GW170817, werd voor het eerst waargenomen door de LIGO en Virgo zwaartekrachtgolfdetectoren. Deze fusie is bekend omdat wetenschappers ook licht konden zien dat eruit voortkwam:hoogenergetische gammastraling, zichtbaar licht, en magnetrons. Vanaf dat moment, er worden dagelijks gemiddeld drie wetenschappelijke studies over GW170817 gepubliceerd.

In januari van dit jaar, de samenwerkingen tussen LIGO en Maagd kondigden een tweede fusie-evenement aan voor neutronensterren, genaamd GW190425. Hoewel er geen licht werd gedetecteerd, deze gebeurtenis is bijzonder intrigerend omdat de twee samensmeltende neutronensterren aanzienlijk zwaarder zijn dan GW170817, evenals eerder bekende dubbele neutronensterren in de Melkweg.

Wetenschappers gebruiken zwaartekrachtgolfsignalen - rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd - om paren neutronensterren te detecteren en hun massa te meten. De zwaardere neutronenster van het paar wordt de 'primaire' genoemd; de lichtere is 'secundair'.

Het gerecycleerd-langzame labelschema van een dubbel neutronenstersysteem

Een binair neutronenstersysteem begint meestal met twee gewone sterren, elk ongeveer tien tot twintig keer massiever dan de zon. Wanneer deze massieve sterren verouderen en geen 'brandstof' meer hebben, hun leven eindigt in supernova-explosies die compacte overblijfselen achterlaten, of neutronensterren. Elke overgebleven neutronenster weegt ongeveer 1,4 keer de massa van de zon, maar heeft een diameter van slechts 25 kilometer.

De eerstgeboren neutronenster doorloopt meestal een 'recycling'-proces:hij verzamelt materie van zijn gepaarde ster en begint sneller te draaien. De tweede geboren neutronenster verzamelt geen materie; zijn centrifugeersnelheid vertraagt ​​ook snel. Tegen de tijd dat de twee neutronensterren samensmelten - miljoenen tot miljarden jaren later - wordt voorspeld dat de gerecycled neutronenster kan nog steeds snel ronddraaien, terwijl de andere niet-gerecycleerde neutronenster waarschijnlijk zal draaien langzaam .

Een andere manier waarop een binair neutronenstersysteem kan worden gevormd, is door voortdurend veranderende interacties in dichte stellaire clusters. In dit scenario, twee niet-verwante neutronensterren, op zichzelf of in andere afzonderlijke sterrenstelsels, elkaar ontmoeten, vormen een paar en fuseren uiteindelijk als een gelukkig stel vanwege hun zwaartekrachtsgolven. Echter, huidige modellering van stellaire clusters suggereert dat dit scenario niet effectief is bij het samensmelten van de neutronensterren.

OzGrav postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van de studie Xingjiang Zhu zegt:'De motivatie voor het voorstellen van het gerecycleerde-slow labeling-schema van een binair neutronenstersysteem is tweeledig. Eerst, het is een algemene functie die wordt verwacht voor fusies van neutronensterren. Tweede, het is misschien niet voldoende om twee neutronensterren als primair en secundair te bestempelen, omdat ze waarschijnlijk een vergelijkbare massa hebben en het moeilijk te zeggen is welke zwaarder is."

De recente OzGrav-studie werpt een nieuwe kijk op zowel GW170817 als GW190425 door het gebruik van het 'recycled-slow'-schema. Het bleek dat de gerecyclede neutronenster in GW170817 slechts licht of zelfs langzaam ronddraait, overwegende dat die van GW190425 snel draait, mogelijk eens per 15 milliseconden. Er werd ook ontdekt dat beide fusiegebeurtenissen waarschijnlijk twee neutronensterren met bijna gelijke massa bevatten. Aangezien er weinig of geen bewijs is van spin in GW170817, en neutronensterren draaien in de loop van de tijd naar beneden, de onderzoekers concludeerden dat het binaire bestand waarschijnlijk miljarden jaren nodig had om samen te smelten. Dit komt goed overeen met waarnemingen van het gaststelsel, genaamd NGC 4993, waar weinig stervormingsactiviteiten zijn gevonden in de afgelopen miljarden jaren.

OzGrav geassocieerd onderzoeker en medewerker Gregory Ashton zegt:"Ons voorgestelde astrofysische raamwerk zal ons in staat stellen belangrijke vragen over het heelal te beantwoorden, zoals zijn er verschillende supernova-explosiemechanismen bij de vorming van binaire neutronensterren? En in welke mate dragen interacties binnen dichte sterclusters bij aan de vorming van neutronensterfusies?"

De LIGO/Virgo-detectoren hebben eerder dit jaar hun gezamenlijke derde waarnemingsrun (O3) voltooid en voeren momenteel gepland onderhoud en upgrades uit. Als in 2021 de vierde run (O4) begint, wetenschappers zullen snel anticiperen op meer ontdekkingen van fusies van neutronensterren. Het vooruitzicht zal nog rooskleuriger zijn wanneer de Japanse ondergrondse detector KAGRA en de LIGO-India-detector de komende jaren toetreden tot het wereldwijde netwerk.

'We bevinden ons in een gouden tijdperk waarin we binaire neutronensterren bestuderen met zeer gevoelige zwaartekrachtgolfdetectoren die de komende jaren tientallen ontdekkingen zullen opleveren, ' voegt Zhu eraan toe.