Nachweis des Gravitationswellen-Memory-Effekts bei Kernkollaps-Supernovae

Einsteins Gravitationstheorie, die Allgemeine Relativitätstheorie, hat alle Tests mit treffsicheren Vorhersagen bestanden. Eine verbleibende Vorhersage ist das „Gravitationswellengedächtnis“ – die Vorhersage, dass eine vorbeiziehende Gravitationswelle den Abstand zwischen kosmischen Objekten dauerhaft verändern wird.

Supernovae – kollabierende Sterne, die nach außen explodieren – gelten als Erzeuger von Gravitationswellen, obwohl von den Gravitationswelleninterferometern auf der Erde noch keine definitiv nachgewiesen werden konnten. Aufgrund der begrenzten Empfindlichkeit von Interferometern unterhalb von Wellenfrequenzen von 10 Hertz wurde auch der Gravitationswellengedächtniseffekt bei Fusionen oder Supernovae nicht beobachtet.

Doch nun stellt eine neue Studie einen Ansatz vor, den Effekt mithilfe aktuell bestehender Gravitationswellenobservatorien nachzuweisen. Das Papier ist veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Bisher stammen alle nachgewiesenen Gravitationswellen aus Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und Schwarzen Löchern, Neutronenstern-Neutronenstern-Verschmelzungen usw Fusionen von jeweils einem. Es wird jedoch erwartet, dass kollabierende Supernovae mit einer Masse von mehr als etwa 10 Sonnenmassen ebenfalls Gravitationswellen aussenden, allerdings mit geringerer Wellenamplitude und mit einer anderen Signatur in einem Gravitationswelleninterferometer.

Bei solchen Supernovae, die als „core-collapsing supernovae“ (CCSN) bezeichnet werden, kollabiert der Kern eines massereichen Sterns plötzlich, wenn die aus seiner Fusionsenergie erzeugte Energie der eigenen Schwerkraft des Sterns nicht mehr entgegenwirken kann.

Dies führt zu einer von der Implosion ausgehenden Stoßwelle. Ein Teil der äußeren Energie wird in der Form sein von Gravitationswellen aufgrund des sich ändernden Quadrupolmoments des Sterns – mit einer Gesamtenergie von etwa 1040 Joule – es sei denn, die Materie des Sterns wird isotrop ausgestoßen. (Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen haben Gravitationswellen aufgrund der Impulserhaltung kein Dipolmoment.)

Es werden auch sichtbares Licht und Neutrinos emittiert, was die Möglichkeit einer Multi-Messenger-Erkennung wenn sie auf der Erde ankommen.

CCSN-Gravitationswellen wären besonders nützlich, da elektromagnetische Signale der Supernova von ihrem Rand ausgehen, während Gravitationswellen tief in ihrem Inneren erzeugt werden und daher Informationen enthalten, die sonst nicht verfügbar wären.

Allerdings haben die Gravitationswellen von CCSN eine geringere Amplitude als die von Schwarzloch-Schwarzloch-Verschmelzungen, mit a Beanspruchung ein bis zwei Größenordnungen weniger (die Belastung hängt umgekehrt von der Entfernung der Quelle von der Erde ab). Ihre Frequenzen sind im Allgemeinen niedriger, ihre Dauer ist kürzer und das Signal ist komplexer und weniger ausgeprägt als bei massiven Zweikörperverschmelzungen.

Bei Gravitationswellen mit niedrigerer Frequenz von CCSN, etwa weniger als 10 Hertz, haben die Wellen jedoch aufgrund der anisotropen Materiebewegung und der asphärischen Emission von Neutrinos eine gravitative „Gedächtnis“-Komponente. Wenn der Neutrino-Ausbruch des CCSN nicht isotrop ist, erzeugt er zusätzliche Gravitationsstrahlung gegenüber der des Kollapses.

Diese werden durch zuvor ausgesendete Wellen erzeugt.platzt vor Erinnerung„Wellen sind eine andere Klasse von Gravitationsstrahlung, bei der die Gravitationsstörung an jedem Punkt von Null ansteigt, einige Zyklen lang oszilliert und sich dann, anstatt auf Null zurückzufallen, auf einen Endwert ungleich Null einpendelt.

Der Gravitationswellen-Memory-Effekt wurde nie entdeckt. Hochfrequenzdetektoren wie Advanced LIGO reagieren größtenteils unempfindlich auf den Memory-Effekt, da die Reaktionszeit dieser Detektoren im Allgemeinen viel kürzer ist als die charakteristische Zeit, die der nicht-oszillierende Teil des Gravitationswellensignals benötigt, um seinen Endwert aufzubauen.

Größere Interferometer wie die vorgeschlagene weltraumgestützte Laser-Interferometer-Weltraumantenne (LISA) sind besser, weil sie in den unteren Frequenzbändern, in denen typische Speicherquellen stärker sind, eine bessere Empfindlichkeit aufweisen. (Eine niedrigere Frequenz bedeutet eine höhere Wellenlänge, daher sind für die Detektion längere Interferometerarme erforderlich.)

Colter J Richardson von der University of Tennessee untersuchte zusammen mit Kollegen aus den Bereichen CCSN-Modellierung und Datenanalyse aus den USA, Schweden und Polen den Memory-Effekt mithilfe von drei hochmodernen dreidimensionalen Simulationen nicht rotierender CCSNs mit nach oben gerichteten Massen auf 25 Sonnenmassen, unter Verwendung eines Modells namens CHIMERA.

Ihre niedrigste Masse von 9,6 Sonnenmassen ist repräsentativ für CCSNs mit geringerer Masse; Die Gravitationswellensignale ihrer Modelle zeigten alle den „langsamen Anstieg auf einen Dehnungswert ungleich Null, der für das Gedächtnis charakteristisch ist“, schrieben sie.

Die Gravitationswellensignale der CCSN-Explosionen waren größtenteils zufällig, aber sie stellten fest, dass der Anstieg (der Wellenamplituden) und die Gedächtnisphasen „einen hohen Grad an Regelmäßigkeit“ aufwiesen, der durch gut angenähert werden konnte Logistikfunktionen typisch für Studien zum Bevölkerungswachstum.

Sie fanden heraus, dass die Gravitationswellensignale der CCSNs über eine Sekunde lang anhielten. (Im Gegensatz dazu dauerte das erste Gravitationswellensignal im Jahr 2015 nur 0,2 Sekunden.) Sie wendeten Filter auf die Signale an, um Rauschen zu entfernen, was den Anstieg auf das Spitzensignal reduzierte, es aber nicht löschte.

Nach einer weiteren Verfeinerung wandten sie eine angepasste Filterung auf das Endsignal an, die auch bei aktuellen Gravitationswellendetektoren verwendet wird, indem sie eine große Anzahl zuvor berechneter Musterwellenformen durchsuchten, um diejenigen zu finden, die stark mit dem verfeinerten Detektorsignal korrelieren. Sie fanden heraus, dass die Ergebnisse ihres Modells für ein CCSN mit 25 Sonnenmassen bei 10 Kiloparsec (etwa 30.000 Lichtjahren) mit einer Fehlalarmwahrscheinlichkeit von weniger als 0,05 % nachgewiesen werden können – und innerhalb der Reichweite aktueller Gravitationswelleninterferometer.

„Derzeit gibt es auf der ganzen Welt erhebliche Anstrengungen zur Entdeckung der Gravitationswellen einer Kernkollaps-Supernova“, sagte Richardson. „Wir hoffen, dass dieser Brief nicht nur eine weitere Detektionsstrategie anbietet, sondern auch neue Untersuchungen im niederfrequenten Bereich der Gravitationswellenastronomie anregt.“

Er wies darauf hin, dass für die zukünftige Forschung mehrere Wege bestehen, „von der Anwendung unserer Methodik auf die häufigeren Fusionsereignisse bis hin zur Untersuchung, wie die nächste Generation von Detektoren auf den Speicher reagieren wird.“

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