垂死恆星的”繭” 引力波的新意外來源
迄今為止,天體物理學家只從雙星系統中探測到過引力波–即兩個黑洞、兩個中子星或兩者之一的融合。從理論上講,應該有可能探測到來自單獨的非雙星源的引力波,但這種難以捉摸的信號尚未被發現。
美國西北大學的研究人員現在提出,這些難以捉摸的信號可以在一個新穎的、意想不到的、完全未開發的領域中尋找: 即將死亡的大質量恆星周圍的湍流、高能碎片繭。
研究人員首次利用最先進的模擬技術證明,這些繭能夠發射引力波。而且,與伽馬射線暴噴流不同,”繭”的引力波應該在激光干涉儀引力波天文台(LIGO)能夠探測到的頻段內。
西北大學的奧雷-戈特利布(Ore Gottlieb)是這項研究的負責人,他說:”到目前為止,LIGO 只探測到來自雙星系統的引力波,但總有一天它會探測到第一個非雙星引力波源。繭是我們應該首先尋找這類來源的地方之一”。
戈特利布最近在美國天文學會第242次會議的虛擬新聞發布會上介紹了這項研究。
新源”不容忽視”
為了進行這項研究,戈特利布和他的合作者使用了最先進的新模擬技術來模擬大質量恆星的坍縮。當大質量恆星坍縮成黑洞時,可能會產生強大的粒子外流(或噴流),其速度接近光速。戈特利布的模擬對這一過程進行了建模–從恆星坍縮成黑洞到噴流逸出。
最初,他想看看黑洞周圍形成的吸積盤是否會發出可探測到的引力波。但是,他的數據中不斷出現一些意想不到的東西。
從黑洞誕生到脫離恆星的噴射繭演化過程(色圖是離軸應變振幅的對數,聲音反映的是引力波頻率) 資料來源:Ore Gottlieb/CIERA/美國西北大學
戈特利布說:”當我計算來自黑洞附近的引力波時,我發現了另一個乾擾我計算的來源–繭。我試圖忽略它。但我發現它根本無法被忽視。然後我意識到繭是一個有趣的引力波源頭。”
當噴射流碰撞到垂死恆星的塌縮層時,噴射流周圍會形成一個氣泡或”繭”。繭是一個湍流的地方,熱氣和碎片在這裡隨機混合,並從噴流的各個方向膨脹。戈特利布解釋說,當高能氣泡從噴流中加速出來時,會擾動時空,產生引力波漣漪。
戈特利布說:”噴流從恆星深處開始,然後鑽出恆星逃逸。這就像你在牆上鑽洞一樣。旋轉的鑽頭撞到牆上,碎屑從牆上溢出。鑽頭為這些物質提供了能量。同樣,噴流穿過恆星,使恆星的物質升溫並溢出。這些碎片形成了繭的熱層。”
呼籲研究繭
戈特利布說,如果”繭”真的會產生引力波,那麼LIGO 應該能夠在即將進行的運行中探測到它們。研究人員通常從伽馬射線暴或超新星中尋找單源引力波,但天體物理學家懷疑LIGO 能否探測到這些引力波。
噴流和超新星都是能量非常高的爆炸。但我們只能探測到頻率較高的非對稱爆炸產生的引力波。超新星是相當球形和對稱的,因此球形爆炸不會改變恆星中的平衡質量分佈而發射引力波。伽馬射線暴持續數十秒,因此頻率非常小,低於LIGO 敏感的頻段。
垂死恆星繭的360 度視圖(彩色圖為對數應變振幅) 圖片來源:Ore Gottlieb/CIERA/西北大學
相反,戈特利布要求天體物理學家將注意力重新轉移到繭上,因為繭既不對稱又具有高能量。他說:”我們的研究是向社會發出的行動號召,將繭視為引力波的來源。我們還知道繭會發出電磁輻射,因此它們可能是多信使事件。通過研究它們,我們可以更多地了解恆星最內部發生了什麼、噴流的特性以及它們在恆星爆炸中的普遍性。”