In de afgelopen jaren hebben astronomen een ongelooflijke mijlpaal bereikt:de detectie van zwaartekrachtsgolven, verdwijnende zwakke rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd die afkomstig zijn van enkele van de meest catastrofale gebeurtenissen in het universum, waaronder botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren. Tot nu toe zijn er meer dan 90 zwaartekrachtsgolfdetecties van dergelijke gebeurtenissen geweest, die slechts ~0,1 tot 100 seconden waarneembaar waren. Er kunnen echter andere bronnen van zwaartekrachtsgolven zijn en astronomen zijn nog steeds op zoek naar continue zwaartekrachtgolven.

Continue zwaartekrachtsgolven zouden gemakkelijker te detecteren moeten zijn, omdat ze veel langer duren in vergelijking met signalen van botsingen met compacte objecten. Neutronensterren zijn een mogelijke bron van continue golven. Dit zijn stellaire "lijken" die zijn overgebleven van supernova-explosies van massieve sterren. Na de eerste explosie stort de ster op zichzelf in en verplettert atomen tot een superdichte bal van subatomaire deeltjes die neutronen worden genoemd - vandaar de naam neutronenster. Het continue golfsignaal is gerelateerd aan hoe snel de neutronenster draait, dus nauwkeurige metingen van de spinfrequentie met behulp van meer conventionele telescopen zouden de kans op detectie van deze ongrijpbare golven aanzienlijk vergroten.

In een recente Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society studie, geleid door OzGrav Ph.D. student Shanika Galaudage van de Monash University, wetenschappers wilden de spinfrequenties van neutronensterren bepalen om continue zwaartekrachtgolven te helpen detecteren.

Mogelijke bronnen van continue zwaartekrachtsgolven

In deze studie veronderstelden onderzoekers dat continue zwaartekrachtsgolven indirect afkomstig zijn van de geleidelijke accumulatie van materie op een neutronenster van een begeleidende ster met een lage massa - deze binaire systemen van een neutronenster en een begeleidende ster worden lage massa X-ray binaries (LMXB's) genoemd ).

Als de neutronenster een geaccumuleerde "berg" van materie in stand kan houden (zelfs al is het maar een paar centimeter hoog), zal hij continue golven produceren. De frequentie van deze golven heeft betrekking op hoe snel de neutronenster draait. Hoe sneller deze materie zich ophoopt, hoe groter de "berg", waardoor grotere continue golven ontstaan. Systemen die deze materie sneller ophopen, zijn ook helderder in röntgenlicht. Daarom zijn de helderste LMXB's de meest veelbelovende doelen voor het detecteren van continue golven.

Scorpius X-1 (Sco X-1) en Cygnus X-1 (Cyg X-2) zijn twee van de helderste LMXB-systemen – de Sco X-1 staat op de tweede plaats in röntgenhelderheid vergeleken met de zon. Naast hun extreme helderheid weten wetenschappers veel over deze twee LMXB-systemen, waardoor ze ideale bronnen van continue golven zijn om te bestuderen. Maar hun draaifrequenties zijn nog onbekend.

"Een manier om te bepalen hoe snel deze neutronensterren ronddraaien, is door te zoeken naar röntgenpulsaties", zegt onderzoeksleider Shanika Galaudage. "Röntgenpulsaties van neutronensterren zijn als kosmische vuurtorens. Als we de puls kunnen timen, zouden we onmiddellijk hun spinfrequentie kunnen onthullen en dichter bij het detecteren van het continue zwaartekrachtgolfsignaal."

"Sco X-1 is een van de beste vooruitzichten die we hebben voor het maken van een eerste detectie van continue zwaartekrachtsgolven, maar het is een heel moeilijk data-analyseprobleem", zegt OzGrav-onderzoeker en studieco-auteur Karl Wette van de Australian National University. "Het vinden van een spinfrequentie in de röntgengegevens zou zijn als het schijnen van een schijnwerper op de zwaartekrachtgolfgegevens:'hier, dit is waar we zouden moeten kijken'. Sco X-1 zou dan een gloeiend hete favoriet zijn om continue zwaartekrachtgolven te detecteren."

Zoeken naar röntgenpulsaties

Het team heeft gezocht naar röntgenpulsaties van Sco X-1 en Cyg X-2. Ze verwerkten meer dan 1000 uur aan röntgengegevens die waren verzameld door het Rossi X-ray Timing Explorer-instrument. De zoekopdracht kostte in totaal ~500 uur rekentijd op de OzSTAR-supercomputer.

Helaas vond de studie geen duidelijk bewijs van pulsaties van deze LMXB-bronnen. Er zijn een aantal redenen waarom dit zou kunnen zijn:de LMXB kan zwakke magnetische velden hebben die niet krachtig genoeg zijn om detecteerbare pulsaties te ondersteunen. Of het kan zijn dat de pulsaties in de loop van de tijd komen en gaan, waardoor ze moeilijk te detecteren zouden zijn. In het geval van Sco X-1 zou het mogelijk een zwart gat kunnen zijn, waarvan we niet verwachten dat het röntgenpulsaties produceert.

De studie vindt de beste limieten voor hoe helder deze röntgenpulsaties zouden kunnen zijn als ze zich zouden voordoen; deze resultaten zouden kunnen betekenen dat neutronensterren onder hun sterke zwaartekracht geen bergen materie kunnen dragen. Toekomstig onderzoek kan voortbouwen op dit onderzoek door betere zoektechnieken en gevoeligere gegevens toe te passen. + Verder verkennen

Continue zwaartekrachtsgolven in röntgensterrenstelsels - de zoektocht gaat door