První detekce gravitačních vln ze splynutí neutronových hvězd  
Experiment LIGO zaznamenal už čtyři případy emise gravitačních vln způsobených splynutím černých děr. Za tento objev byla také udělena letošní Nobelova cena za fyziku. Stále se však čekalo na detekci gravitačních vln ze splynutí neutronových hvězd. A zaznamenání takového případu bylo ohlášeno právě nyní. Zároveň bylo zaznamenáno i světelné záření z této události.

Binární neutronová hvězda těsně před splynutí rozvlní prostoročas (zdroj R. Hurt/Caltech-JPL).
Binární neutronová hvězda těsně před splynutí rozvlní prostoročas (zdroj R. Hurt/Caltech-JPL).

Úbytek energie vyzařování gravitačních vln u dvojhvězdy složené z neutronových hvězd byl pozorován už v několika případech. Nejznámějším je pulsar PSR 1913+16, kde se zkracování oběžné periody systému pozoruje nejdéle. Jeho pozorování, které bylo sice nepřímým, ale silným důkazem o existenci gravitačních vln, svým autorů dopomohlo k Nobelově ceně. Postupné zkracování periody a přibližování neutronových hvězd v binárním systému nakonec vede po dostatečně dlouhé době k jejich splynutí. To způsobí intenzivní emisi gravitačních vln podobné těm, které pozorovaly experimenty LIGO a VIRGO u černých děr (podrobný popis zde, zde a zde). Velmi důležité je, že poloměr horizontu černých děr není tak dramaticky rozdílný od poloměru neutronových hvězd. Frekvence vyzařovaných gravitačních vln je tak v obou případech podobná a ve frekvenčním rozsahu zmíněných experimentů LIGO a VIRGO.

 

Rozdíl mezi splynutím neutronových hvězd a černých děr

Existují tři podstatné rozdíly mezi emisí gravitačních vln při splynutí neutronových hvězd a černých děr. Neutronové hvězdy mají menší hmotnosti a o něco větší rozměry. Vyzařování gravitačních tak zkracuje periodu oběhu pomaleji. To vede k tomu, že gravitační signál má menší amplitudy a delší periody změn.

Přibližování neutronových hvězd a jejich splynutí (zdroj NASA).
Přibližování neutronových hvězd a jejich splynutí (zdroj NASA).

Celkově je tak signál delší. Velice dobře předvídatelný signál tak trvá sekundy, minuty i déle. U splynutí černých děr emise trvá zlomky sekundy. To vede k tomu, že signál je daleko slabší a citlivost současných detektorů zaznamená splynutí neutronových hvězd do vzdálenosti řádově menší, než je tomu u černých děr. A to je druhá důležitá vlastnost splynutí neutronových hvězd, můžeme je pozorovat jen v objemu okolního vesmíru tisíckrát menším, než je tomu u černých děr. Třetí velmi důležitou vlastností je, že kromě gravitačních vln vyzařují i v elektromagnetickém oboru od viditelného až po gama. Takže se na rozdíl od splynutí černých děr dají souběžně pozorovat i jinými přístroji.

 

Výsledky simulací výsledku splynutí neutronových hvězd z hmotností pro každou z nich v rozmezí zobrazeném levým píkem a hmotností vzniklého pozůstatku napravo. Hranice ukazují, pro jaké hmotnosti vzniknou neutronové hvězdy (NS), supermasivní neutronové hvězdy (sNS) a černé díry (BH). (Zdroj A. L. Piro et al:  The Fate of Neutron Star Binary Mergers, Astrophysical Journal Letters 844 (2017) L19)
Výsledky simulací výsledku splynutí neutronových hvězd z hmotností pro každou z nich v rozmezí zobrazeném levým píkem a hmotností vzniklého pozůstatku napravo. Hranice ukazují, pro jaké hmotnosti vzniknou neutronové hvězdy (NS), supermasivní neutronové hvězdy (sNS) a černé díry (BH). (Zdroj A. L. Piro et al: The Fate of Neutron Star Binary Mergers, Astrophysical Journal Letters 844 (2017) L19)

Právě o splynutí dvou neutronových hvězd se uvažuje jako o zdroji krátkých záblesků gama, trvající méně než dvě sekundy. Při splynutí neutronových hvězd by mělo kromě velmi intenzivní emise elektromagnetického záření i extrémních energií vznikat velké množství těžkých prvků. Za našimi zdroji uranu i zlata jsou tak z velké části i kolize neutronových hvězd.

 

Co splynutím neutronových hvězd vznikne?

Je několik možností, jaký objekt po splynutí neutronových hvězd vzniká. Závisí to na hmotnosti zúčastněných neutronových hvězd. Pokud je hmotnost, která v konečném důsledku vytvoří kompaktní objekt dostatečně malá, vznikne neutronová hvězda. V případě, že hmotnost přesahuje mírně limitu pro nerotující neutronovou hvězdu, ale gravitační síly kompenzují do jisté míry odstředivé síly u rychle rotujícího kompaktního objektu, může vzniknout supermasivní neutronová hvězda. Ta však po postupném zpomalení rotace zkolabuje do černé díry.


Pokud je hmotnost neutronových hvězd dostatečně velká, vznikne černá díra hned při splynutí. Rozhraní hmotnosti, které oddělují různé možnosti, silně závisí na stavové rovnici velmi husté jaderné hmoty v nitru neutronové hvězdy. Pro některé realistické modely stavové rovnice jaderné hmoty dokonce vznikají pouze neutronové hvězdy a supermasivní neutronové hvězdy. Černé díry nevznikají. Pokud se nám podaří studovat pomocí detekce gravitačních vln průběh a výsledky kolize neutronových hvězd s dostatečnou statistikou, mohl by to být cenný zdroj informací o vlastnostech velmi husté jaderné hmoty.

 

Společná detekce gravitačních vln a jiných emisí při srážce neutronových hvězd by mohla potvrdit naše představy o zdrojích těchto vln. Mohla by získat přímý důkaz toho, že právě splynutí neutronových hvězd je zdrojem krátkých záblesků gama. Podrobnější studium více případů by mohlo ukázat, jak velká část hmotnosti neutronových hvězd se přemění na neutronovou hvězdu či černou díru. A také jaká část je vyvržena do prostoru v podobě velmi těžkých prvků a jaká se vyzáří v podobě gravitačních vln i elektromagnetického záření.


 

Video: První detekce kolize neutronových hvězd pomocí gravitačních vln

 

 

Co víme o případu zachyceném detektorem LIGO?

Zachycení gravitačních vln ze splynutí neutronových hvězd se podařilo 17. srpna 2017. Signál zachytily oba detektory systému LIGO i detektor VIRGO. To umožnilo poměrně přesně určit směr, odkud gravitační vlny přišly. Okamžitě po zjištění tohoto směru byly zaslány informace na něm pohotovostním systémem na velký počet astronomických observatoří a ty zaměřily své dalekohledy do tohoto směru. Objevily dosvit zdroje označovaného jako kilonova. Tedy emise záření následkem splynutí neutronových hvězd a vzniku černé díry. Bylo možné měřit spektrum záření a určit prvky, které zde vznikly. Takové dosvity se pozorují právě po krátkých záblescích gama. Poprvé tak bylo možné potvrdit, že tyto jevy jsou opravdu způsobeny srážkami neutronových hvězd a právě slučování neutronových hvězd je významným zdrojem těžkých prvků, jako jsou zlato či platina.


Fotografie optického signálu ze zdroje gravitačních vln pořídil Hubbleův teleskop. (Zdroj NASA)
Fotografie optického signálu ze zdroje gravitačních vln pořídil Hubbleův teleskop. (Zdroj NASA)
Samotný pozorovaný signál v gravitačním oboru, který dostal označení GW170817, trval zhruba 100 sekund. Neutronové hvězdy v poslední fázi obíhaly třicetkrát za sekundu (byly od sebe 300 km) a ke konci došlo ke zrychlení až na 2000 oběhů za sekundu těsně před splynutím. Dvojhvězda splynula ve vzdálenosti zhruba 130 milionů světelných let od nás v galaxii NGC4993 v souhvězdí Hydry.  Hmotnost celého systému byla odhadována s využitím některých různých předpokladů o vlastnostech binárních neutronových hvězd, což vede k různým rozsahům nejistot. Odhad celkové hmotnosti je však okolo 2,8 hmotností Slunce a jednotlivé složky měly hmotnosti okolo 1,6 a 1,2 hmotnosti Slunce.

Zhruba 1,7 s po gravitačních vlnách byl zachycen krátký záblesk gama sondami Fermi a INTEGRAL, což poprvé přímo spojilo tento úkaz se splynutím neutronové hvězdy. Gravitační vlny zachycené po splynutí neutronových hvězd můžou pomoci identifikovat, zda vznikla neutronová hvězda nebo černá díra. Frekvence gravitačních vln ze vzniklé černé díry je natolik vysoká, že nemůže být používanými detektory pozorována. Naopak gravitační vlny ze vzniklé neutronové hvězdy mají nižší frekvenci a zachyceny by být mohly. Nebyly pozorovány žádné známky takové emise. Je tak větší pravděpodobnost, že vznikla černá díra, ale vzhledem k citlivosti detektorů není vyloučeno, že signál z neutronové hvězdy zanikl v pozadí. Rozdíl 1,7 s mezi pozorováním signálu gravitačních vln a záblesku gama na vzdálenost zmíněných 130 milionů světelných let dává velice přesné srovnání rychlosti gravitačních vln a světla. Pozorování je možné využít i pro další testy gravitačních teorií.


V tomto případě jde opravdu o jasný nástup astronomie gravitačních vln, kdy gravitační detektory budou říkat klasickým teleskopům, kam se zaměřit. Společným pozorováním pak dokáží vyřešit řady současných astrofyzikálních záhad. Máme se opravdu na co těšit.

Datum: 16.10.2017
Tisk článku

Vesmírné blues - Levinová Janna
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 299 Kč
cena: 266 Kč
Vesmírné blues
Levinová Janna
Související články:

Gravitační vlny možná oscilují, podobně jako neutrina     Autor: Stanislav Mihulka (27.09.2017)
Ozvěny černých děr z gravitačního detektoru LIGO ohlašují novou fyziku     Autor: Stanislav Mihulka (11.12.2016)
Tak už je tu další případ detekce gravitačních vln     Autor: Vladimír Wagner (16.06.2016)



Diskuze:

Zpoždění

Antonín Hvízdal,2017-10-17 11:11:08

Ten rozdíl 1,7s mezi gravitační vlnou a světlem je způsoben nějakým dějem při splynutí hvězd? Vyšším indexem lomu mezihvězdného plynu?

Odpovědět


Re: Zpoždění

Milan Krnic,2017-10-17 17:24:02

V rámci mých úvah, které jsou v rámci těchto úvah, by to mohlo být způsobeno i třeba zpožděním v rámci trochu jiného zakřivení prostoročasu. Anebo také ne. Bohužel zjistit, jak to je, možnost nemáme.

Odpovědět


Re: Re: Zpoždění

Alexandr Kostka,2017-10-17 20:24:00

Co rychlost světla? (ve vakuu, ovšem mezihvězdný prostor není absolutní vakuum) Možná něco dodá sám pan Wagner.

Odpovědět


Re: Re: Re: Zpoždění

Vít Výmola,2017-10-17 21:25:30

Je to tak. Není třeba vymýšlet žádné fantastické hypotézy. Zpoždění je dáno průchodem světla přes opticky rozdílná prostředí, případně plyn a prach v mězihvězdném (a mezigalaktickém) prostoru. Elektromagnetické vlnění je vždy průchodem zbržděno, na rozdíl od gravitačních vln (zřejmě) a nebo třeba neutrin (určitě) - podobné zpoždění zjišťujeme při pozorování emisí neutrin ze supernov.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Zpoždění

Pavel Hudecek,2017-10-17 22:04:40

K tomu ani není potřeba rozdílnost. Prostě jen ve vesmíru není absolutní vakuum.

Ale neutrina ze supernov bych do toho nepletl. Tam jde především o vnější vrstvy hvězdy. Prostě chvíli trvá, než se výbuch propálí na povrch.

Odpovědět


Re: Zpoždění

Vladimír Wagner,2017-10-17 23:05:21

Posun v detekci gravitačních vln a gama záblesku se očekával. Není to způsobeno disperzí elektromagnetického signálu ve vesmírném prostoru. Gama záření má totiž extrémně malou vlnovou délku a disperze je u něj malá. Je to způsobeno tím, že signál gravitačních vln, který trvá skoro 100 sekund končí před splynutím a gama záblesk se prodere a vyzáří až po něm. Už u objektu je tak rozdíl mezi koncem signálu gravitačních vln a záblesku gama.

Odpovědět


Re: Re: Zpoždění

Jiří Sedláček askaner,2017-10-18 23:22:56

je šance zachytit neutrinový záblesk z tohoto splynutí?

Odpovědět


Re: Re: Re: Zpoždění

Vladimír Wagner,2017-10-19 19:48:27

Současné neutrinové detektory zachytí neutrina ze supernov jen z naší Galaxie a těch nejbližších galaxií okolo. Budovaný největší neutrinový detektor Hyperkamiokande v Japonsku zachytí neutrina ze supernov do vzdálenosti zhruba 6,5 milionů světelných let. Pozorované splynutí neutronových hvězd proběhlo ve vzdálenosti 130 milionů světelných let. Navíc se při tomto jevu vyzáří méně neutrin než u supernovy. Nebyla tak šance tyto neutrina zachytit.

Odpovědět

Eter

Peter Somatz,2017-10-17 00:40:38

"Třetí velmi důležitou vlastností je, že kromě gravitačních vln vyzařují i v elektromagnetickém oboru od viditelného až po gama. "

- Nie je mozne, ze gravitacne vlny su principialne to iste, ako normalne svetlo? Elmag ziarenie, ale s ovela kratsou vlnovou dlzkou a teda ovela vacsou energiou? Gama luce maju 10E−11 m,
zmena vzdialenosti pri gravitacnej vlne je 10E-18 m.

Nakoniec, tu pisu: https://www.learner.org/courses/physics/unit/text.html?unit=3&secNum=7
ze LIGO je vlastne len vylepseny Michelsonov interferometer.

Na to aby fungovala hmotnost castic, zavadzaju "vsadepritomne" Higgsovo pole. Einstein hovori o kvantovej pene. Kvantova teoria poli hovori o "matter fields" a dalsich poliach. Nie je cas priznat ze "prazdny priestor" nie je vobec prazdny, a nazvat to pekne to starom eter?

Odpovědět


Re: Eter

Ludvík Urban,2017-10-17 09:54:49

"Nie je mozne, ze gravitacne vlny su principialne to iste, ako normalne svetlo?"
To opravdu nejsou.

"Nie je cas priznat ze "prazdny priestor" nie je vobec prazdny, a nazvat to pekne to starom eter?"
To by se mi taky libilo, ale nejde to.
Nazvat ten prostor mezi nebeskymi telesy "vakuem" je asi jedna z nejvetsich chyb lidstva ;-)
Nicmene k eteru: jestli me ucili spravne, eterem muzu nazvat nejake kontinuum, ve kterem najdu neco jako hacek a k tomu hacku muzu pridelat vztaznou soustavu. To k "vakuu", jak ho zname dnes nejde.

Jakasi nadeje tu je a to KDYZ se skutecne najdou castice toho, cemu dnes rikame "temna hmota".
Zduraznil jsem slovicko KDYZ. Myslim, ze lepe vystihuje situaci nez slovo "AZ".

Odpovědět


Re: Re: Eter

Jiří Sedláček askaner,2017-10-18 23:16:11

Těch pohledů na eter je více, jeden z mnoha je třeba ten s háčky, další s provázky a kladičkami a další například ten, který postulovali Lorentz a další, z kterého odvodili nejen dilatace délek ale i času, tedy ideálně pružný atd.. Jinak eter snadněji zidentifikujete s temnou energií.

Odpovědět


Re: Eter

Pavel Hudecek,2017-10-17 22:17:32

Ještě bych dodal, že rychlost šíření elektromagnetických a gravitačních vln ve vakuu je prostě maximální možná rychlost, protože nejsou založeny na hmotném prostředí, ani částicích s nenulovou klidovou hmotností. A té maximální rychlosti z čistě historických důvodů říkáme rychlost světla.

A ano, tyto detektory jsou vlastně i M-M experimenty, provozované s nevídanou přesností, tzn. pokud někdo nevěřil pánům Michelsonovi a Morleymu v roce 1888, že éter není, tak dnes to má potvrzené ještě o hodně řádů přesněji. Tedy pokud nestačí, že s éterem by GPS ujížděla o kilometry.

Odpovědět


Re: Re: Eter

Jiří Sedláček askaner,2017-10-18 23:33:46

S Lorentz- Poicarého verzí eteru získáte též časovou dilataci a tito s tímto vyšli dříve, než Minkovski doplnil str právě o dilataci času, takže ani s eterem bez tkaniček by GPS neujížděla o km

Odpovědět

Dotaz ke 2 obrázkům

Bohumír Tichánek,2017-10-16 21:33:55

Horní obrázek: "Binární neutronová hvězda těsně před splynutí rozvlní prostoročas"
Co vlastně vyznačují, co znamenají dvě světlé spirály? Je to nakreslená stopa pohybu každé z hvězd?
Následující obrázek to potvrzuje: "Přibližování neutronových hvězd a jejich splynutí (zdroj NASA)."
Pak horní obrázek zřejmě není grafem nějakého rozvlnění prostoročasu?

Odpovědět


Re: Dotaz ke 2 obrázkům

Filip Machala,2017-10-16 21:52:43

...patrně "umělecké" ztvárnění gravitačních vln.

Odpovědět


Re: Dotaz ke 2 obrázkům

Tomáš Habala,2017-10-16 22:53:53

Otázak je, ako by sa dalo nakresliť vlnenie prázdneho 3 rozmerného priestoru v čase.

Odpovědět


Re: Dotaz ke 2 obrázkům

Bluke .,2017-10-17 11:03:57

Zrejme pri spracovani signalov pouzivaju nejaky realtime Sofware defined reciever (SDR) , v nom je to spracovane , zobrazene aj ulozene ako datastream. Vic info ak chces vediet o SDR a pripadne robit aj neake amaterske pokusy pozri na webe:
- RTL SDR (https://www.rtl-sdr.com/)
- gnuradio , SDR https://www.gnuradio.org/
ak chces robit pokusy s SDR mozes si kupit usb tv-tuner s cipom RTL2832 za par eur anapr: https://www.nay.sk/hama-53176-dvb-t-usb-2-0-prijimac , ako lovit signal a ako na to vy-googlis.
S tymito srandami sa daju urobit aj amatersky pasive radar a interferometr, pripadne citat udaje z meteo druzic. dab,dvt,...
Good Luck

Odpovědět

vzdálenost

Petr Havec,2017-10-16 20:50:14

Na stránkách Ligo uvádějí přibližnou vzdálenost 130 milionů rokú.

Odpovědět

Škoda, že to nemôžeme vidieť

Tomáš Habala,2017-10-16 20:44:41

tých 100 sec musí byť fantastické divadlo

Odpovědět


Re: Škoda, že to nemôžeme vidieť

Milan Krnic,2017-10-17 17:28:49

V úvahách může být, nemusí. Kdyby bylo, a kdybychom mohli, rád bych se přidal.

Odpovědět


Re: Re: Škoda, že to nemôžeme vidieť

Vojtěch Kocián,2017-10-17 22:04:53

Vzhledem k tomu, o jak extrémní jev se jedná, tak bych si držel spíš decentní odstup nejméně v řádu stovek parseků, abych o tom mohl ještě vyprávět. Pravidlo pro představení si síly supernovy (zde dokonce kilonovy) zní: "Je jedno, jak silnou si ji představujete, je ještě mnohem silnější."

Jinak ano. Mít možnost se před tím nějakým způsobech chránit, mohlo by být úžasné to pozorovat zblízka. Ale to to i spoustu jiných věcí. Třeba se jen proletět nad docela obyčejným pulsarem by bylo něco neskutečného.

Odpovědět


Re: Re: Re: Škoda, že to nemôžeme vidieť

Daniel Konečný,2017-10-18 22:49:55

I kdyby jste byl blíže než by bylo zdrávo tak očima nic neuvidíte před, během a ani po srážce. Vhodné filtry nebo nějaká koláž z různých spekter ze záznamu akorát pokazí ten pravý zážitek.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Škoda, že to nemôžeme vidieť

Tomáš Habala,2017-10-19 09:29:57

Od neutrónovej hviezdy by sa malo svetlo odrážať, nie?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Škoda, že to nemôžeme vidieť

Daniel Konečný,2017-10-21 01:57:31

Tak to Vám nepovím, ale vzhledem k extrémní povrchové teplotě pozorování neodporúčam

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace