Am 11. Februar 2016 kündigten Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) die erste Detektion von Gravitationswellen an. Diese Entwicklung, die eine Vorhersage von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vor einem Jahrhundert bestätigte, hat Kosmologen und Astrophysikern neue Forschungswege eröffnet. Seitdem wurden mehr Entdeckungen gemacht, die alle das Ergebnis der Verschmelzung von Schwarzen Löchern sein sollen.
Laut einem Team von Astronomen aus Glasgow und Arizona müssen sich Astronomen jedoch nicht darauf beschränken, Wellen zu erfassen, die durch massive Gravitationsfusionen verursacht werden. Laut einer kürzlich von ihnen erstellten Studie könnten das Gravitationswellendetektornetzwerk Advanced LIGO, GEO 600 und Virgo auch die von Supernova erzeugten Gravitationswellen erfassen. Auf diese Weise können Astronomen zum ersten Mal in die Herzen kollabierender Sterne sehen.
Die Studie mit dem Titel „Schlussfolgerung des Kernkollaps-Supernova-Explosionsmechanismus mit dreidimensionalen Gravitationswellensimulationen“ wurde kürzlich online veröffentlicht. Unter der Leitung von Jade Powell, die kürzlich am Institut für Gravitationsforschung der Universität Glasgow promovierte, argumentiert das Team, dass aktuelle Gravitationswellenexperimente in der Lage sein sollten, die von Core Collapse Supernovae (CSNe) erzeugten Wellen zu erfassen.
CCSNe, auch als Typ-II-Supernovae bekannt, passiert, wenn ein massereicher Stern das Ende seiner Lebensdauer erreicht und einen schnellen Zusammenbruch erlebt. Dies löst eine massive Explosion aus, die die äußeren Schichten des Sterns abbläst und einen verbleibenden Neutronenstern zurücklässt, der schließlich zu einem Schwarzen Loch werden kann. Damit ein Stern einen solchen Zusammenbruch erleiden kann, muss er mindestens das 8-fache (jedoch nicht mehr als das 40- bis 50-fache) der Sonnenmasse betragen.
Wenn diese Arten von Supernovae auftreten, wird angenommen, dass im Kern erzeugte Neutrinos die durch den Kernkollaps freigesetzte Gravitationsenergie auf die kühleren äußeren Regionen des Sterns übertragen. Dr. Powell und ihre Kollegen glauben, dass diese Gravitationsenergie mit aktuellen und zukünftigen Instrumenten erfasst werden kann. Wie sie in ihrer Studie erklären:
„Obwohl derzeit keine CCSNe von Gravitationswellendetektoren nachgewiesen wurden, deuten frühere Studien darauf hin, dass ein fortschrittliches Detektornetzwerk für diese Quellen gegenüber der Large Magellanic Cloud (LMC) empfindlich sein kann. Ein CCSN wäre eine ideale Multi-Messenger-Quelle für aLIGO und AdV, da Neutrino- und elektromagnetische Gegenstücke zum Signal zu erwarten wären. Die Gravitationswellen werden tief im Inneren des CCSNe-Kerns emittiert, wodurch möglicherweise astrophysikalische Parameter wie die Zustandsgleichung (EOS) aus der Rekonstruktion des Gravitationswellensignals gemessen werden können. “
Dr. Powell und sie skizzieren in ihrer Studie auch ein Verfahren, das mit dem Supernova-Modell Evidence Extractor (SMEE) implementiert werden könnte. Anschließend führte das Team Simulationen mit den neuesten dreidimensionalen Modellen von Gravitationswellen-Kernkollaps-Supernovae durch, um festzustellen, ob Hintergrundgeräusche beseitigt und CCSNe-Signale ordnungsgemäß erfasst werden konnten.
Wie Dr. Powell dem Space Magazine per E-Mail erklärte:
„Der Supernova Model Evidence Extractor (SMEE) ist ein Algorithmus, mit dem wir bestimmen, wie Supernovae die enorme Energiemenge erhalten, die sie zum Explodieren benötigen. Es verwendet Bayes'sche Statistiken, um zwischen verschiedenen möglichen Explosionsmodellen zu unterscheiden. Das erste Modell, das wir in diesem Artikel betrachten, ist, dass die Explosionsenergie von den vom Stern emittierten Neutrinos stammt. Im zweiten Modell kommt die Explosionsenergie durch schnelle Rotation und extrem starke Magnetfelder. “
Daraus schloss das Team, dass Forscher in einem Netzwerk mit drei Detektoren die Explosionsmechanik für schnell rotierende Supernovae in Abhängigkeit von ihrer Entfernung korrekt bestimmen konnten. In einer Entfernung von 10 Kiloparsec (32.615 Lichtjahre) könnten sie CCSNe-Signale mit 100% iger Genauigkeit und Signale mit 2 Kiloparsec (6.523 Lichtjahre) mit 95% iger Genauigkeit erfassen.
Mit anderen Worten, wenn und wann eine Supernova in der lokalen Galaxie stattfindet, hätte das globale Netzwerk, das von den Gravitationswellendetektoren Advanced LIGO, Virgo und GEO 600 gebildet wird, eine hervorragende Chance, diese aufzunehmen. Die Erkennung dieser Signale würde auch eine bahnbrechende Wissenschaft ermöglichen, die es Wissenschaftlern ermöglicht, zum ersten Mal in explodierende Sterne zu „sehen“. Wie Dr. Powell erklärte:
„Die Gravitationswellen werden tief im Inneren des Kerns des Sterns emittiert, wo keine elektromagnetische Strahlung entweichen kann. Auf diese Weise kann eine Gravitationswellendetektion Informationen über den Explosionsmechanismus liefern, die mit anderen Methoden nicht bestimmt werden können. Möglicherweise können wir auch andere Parameter bestimmen, z. B. wie schnell sich der Stern dreht. “
Dr. Powell, die kürzlich ihre Doktorarbeit abgeschlossen hat, wird auch eine Postdoc-Position beim RC Centre of Excellence für Gravitationswellenentdeckung (OzGrav) einnehmen, dem Gravitationswellenprogramm, das von der Universität von Swinburne in Australien veranstaltet wird. In der Zwischenzeit werden sie und ihre Kollegen gezielt nach Supernovae suchen, die während der ersten und zweiten fortgeschrittenen Detektorbeobachtungsläufe aufgetreten sind.
Derzeit gibt es keine Garantie dafür, dass sie die gesuchten Signale finden, die zeigen, dass Supernovae nachweisbar sind, aber das Team hat große Hoffnungen. Und angesichts der Möglichkeiten, die diese Forschung für Astrophysik und Astronomie bietet, sind sie kaum allein!
