2010.12.07. - Szimuláció segíthet a gravitációs hullámok detektálásában

Egy szuperszámítógépes szimuláció alapján a gravitációs hullámok legígéretesebb forrásai, a kompakt kettősök galaxisokon kívül is előfordulhatnak, így könnyebben azonosíthatók a GH detektorok lehetséges célpontjaiként.

Einstein általános relativitáselméletének egyik kulcsfontosságú előrejelzése, hogy nagytömegű objektumok mozgása gravitációs hullámokat kelt. A téridő-fodrozódások detektálására tett kísérletek eddig sajnos még nem jártak értékelhető eredménnyel, az elméletek szerint ugyanis a hullámok nagyon gyengék, illetve gyorsan lecsengenek. Az egyik ezzel foglalkozó projekt, a LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) detektorainak továbbfejlesztésével (Advanced LIGO) azonban már jó esély mutatkozik a sikeres mérésekre. A legígéretesebb célpontok az ún. kompakt kettősök, melyek vagy két neutroncsillagból, vagy egy neutroncsillagból és egy fekete lyukból állnak. A kettősök komponensei egy szűkülő spirális pályán egyre közelebb kerülnek egymáshoz, majd végül egy grandiózus robbanásban összeolvadnak. Ezek az események az előrejelzések szerint pedig már detektálható gravitációs hullámokat keltenek.

Két neutroncsillag összeolvadását mutató szimuláció néhány fázisa. A folyamat eredményeként a legérzékenyebb műszerekkel már valószínűleg detektálható gravitációs hullámok keletkeznek.
[Stephan Rosswog, Enrico Ramirez-Ruiz]

Enrico Ramirez-Ruiz (University of California Santa Cruz) és tanítványa, Luke Zoltan Kelley ezeket a kompakt kettősöket tették vizsgálatuk tárgyává, mégpedig abból a szempontból, hogy hol is várható előfordulásuk. Ez azért fontos, mert a gravitációs hullámok keltésével járó összeolvadáshoz vezető folyamatot jó lenne már annak végkifejlete előtt is nyomon követni, illetve eleve jó lenne tudni, hogy milyen irányból várjuk majd a jeleket. A kompakt kettősöknek nemcsak az egymás körüli keringési sebességük nagy, de a rendszer térbeli mozgása is lendületes, a transzlációs sebesség meghaladhatja a 200 km/s-ot, azaz kialakulási helyüktől ma már akár nagy távolságra is lehetnek. Az új eredmény alapján a követő megfigyelések tervezésénél figyelembe kell venni, hogy az esetleg detektált gravitációs hullámok forrásai nem galaxisokban, hanem azoktól távolabb vannak.

A "rúgás", ami a kettős rendszert kipenderítheti a szülőgalaxisából, a neutroncsillagot vagy a fekete lyukat létrehozó szupernóva-robbanás aszimmetrikus volta. Kelley szerint a mag kollapszusának 1%-os aszimmetriája körülbelül 1000 km/s-os kezdősebességet adhat a maradványnak, ez a maximális sebesség, amit egy egyedülálló neutroncsillag szerezhet. Kettős rendszerekben a tömegközéppont által így nyerhető kezdősebesség jóval kisebb (és sokkal bizonytalanabb), de azért eléri a 200 km/s-ot.

Kelley és Ramirez-Ruiz azt vizsgálták az UCSC szuperszámítógépével, hogy a sötét anyagra és az Univerzum struktúráinak kialakulására vonatkozó sztenderd kozmológiai szimulációkban különböző kezdősebességek esetén milyen lesz a kompakt kettősök eloszlása. A sötét anyag halójába - aminek gravitációs hatásáról azt gondoljuk, hogy a galaxisok kialakulásának hajtóereje - a kettősöket reprezentáló próbatesteket helyeztek el, melyeknek a szupernóva-robbanásoktól származó különböző kezdősebességeket adtak. A futtatások alatt szimulálták az Univerzum 13,8 milliárd éves teljes fejlődését. Ennek eredményeként Kelley talált egy olyan területet, ami pontosan úgy néz ki, mint a mi lokális (z = 0) környezetünk: van benne egy Tejútrendszerhez hasonló méretű nagy galaxis, illetve több kisebb kísérőgalaxis. A következő lépésben előállította az égboltnak a képét, ahogyan a szimulált Világegyetemet látnánk a Földről, megjelölve rajta a kompakt kettősök és a lokális galaxisok pozícióit.

A sötét anyag (bal oldali oszlop) és a próbatestek eloszlása különböző kezdősebességek (középső és jobb oldali oszlop) mellett. A fehér pixelek olyan területeket jelölnek, ahol nem jelentek meg próbatestek, vagy a sötét anyag oszlopsűrűsége kisebb a szimuláció felbontásánál. Bár a próbatestek sűrűségének maximuma nem nagyon változik, egy jól látható háttér alakul ki belőlük, amint a sebesség közelíti a szökési sebességet. 90 km/s-nál nagyjából csak a sötét anyag sűrűbb részeit rajzolják ki, magasabb sebességeknél azonban az eloszlásuk lassabban lesz izotróp, mint a sötét anyagé.
[Kelley és tsai]

Az eredmény azt mutatja, hogy a kettősök eloszlása érzékenyen függ a kezdő lökés által kapott sebességtől, és a kettősök előfordulhatnak a fényes galaxisoktól távol is. Ez azért érdekes, mert így könnyebben detektálhatók nagyléptékű felméréseket végző teleszkópokkal, például a tervezett LSST (Large Synoptic Survey Telescope) műszerrel. Ezen észlelések alapján pedig Ramirez-Ruiz szerint a GH detektorok üzemeltetői megtudhatják, hogy adataikban mikor és milyen irányból érkezett gravitációs hullámok jeleit kell keresniük. Kollégáival jelenleg is azon dolgozik, hogy kiderítsék, az összeolvadási folyamat milyen, az optikai tartományban is érzékelhető hatásokkal, jelekkel jár, melyeket nyilván könnyebb azonosítani a galaxisok fényes korongjaitól távol.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal Letters c. folyóiratban jelent meg.

Forrás:

• ScienceDaily 2010.12.03.