Visualisering av gravitationsvågemissionen från ett par kretsande kompakta föremål. Det kommande rymdbaserade gravitationsvågsobservatoriet LISA kommer att kunna observera hundratals sådana binära stjärnsystem i Vintergatans galax, inklusive cirka 50 binärer som finns i klotformiga kluster, rapporterar en ny Northwestern University-studie. Dessa binära källor skulle innehålla alla kombinationer av svarta hål, neutronstjärna och vita dvärgkomponenter. Kredit:NASA
Den historiska första upptäckten av gravitationsvågor från kolliderande svarta hål långt utanför vår galax öppnade ett nytt fönster för att förstå universum. En rad upptäckter – ytterligare fyra binära svarta hål och ett par neutronstjärnor – följde snart efter den 14 september, 2015, observation.
Nu, en annan detektor byggs för att knäcka det här fönstret mer öppet. Detta nästa generations observatorium, kallas LISA, förväntas vara i rymden 2034, och den kommer att vara känslig för gravitationsvågor med lägre frekvens än de som detekteras av Earth-bound Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).
En ny studie från Northwestern University förutspår dussintals binärer (par av kretsande kompakta objekt) i Vintergatans klotformade kluster kommer att kunna detekteras av LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Dessa binära källor skulle innehålla alla kombinationer av svarta hål, neutronstjärna och vita dvärgkomponenter. Binärer som bildas från dessa stjärntäta kluster kommer att ha många olika egenskaper än de binärer som bildades isolerat, långt ifrån andra stjärnor.
Studien är den första som använder realistiska globulära klustermodeller för att göra detaljerade förutsägelser av LISA-källor. "LISA källor i Milky-Way Globular Clusters" publicerades idag, 11 maj, av tidskriften Fysiska granskningsbrev .
"LISA är känslig för Vintergatans system och kommer att utöka bredden av gravitationsvågsspektrumet, tillåter oss att utforska olika typer av objekt som inte är observerbara med LIGO, sa Kyle Kremer, tidningens första författare, en Ph.D. student i fysik och astronomi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och medlem i ett beräkningsastrofysiskt forskningssamarbete baserat i Northwesterns Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA).
Vintergatan innehåller cirka 150 observerade klothopar, som M30, visas här, som avbildats av rymdteleskopet Hubble. Globulära hopar är täta miljöer som innehåller miljontals stjärnor packade tätt ihop. Dessa kluster är effektiva fabriker av gravitationsvågkällor som kan observeras av detektorer som LIGO och det kommande rymdbaserade observatoriet, LISA. En ny studie från Northwestern University förutspår att cirka 50 binärer i klustren kommer att kunna detekteras av LISA. Dessa binära källor skulle innehålla alla kombinationer av svarta hål, neutronstjärna och vita dvärgkomponenter. Kredit:ESA/Hubble
I Vintergatan, 150 klothopar har observerats hittills. Forskargruppen i Northwestern förutspår att ett av tre kluster kommer att producera en LISA-källa. Studien förutspår också att ungefär åtta svarta håls binärer kommer att kunna detekteras av LISA i vår närliggande galax Andromeda och ytterligare 80 i den närliggande Jungfrun.
Innan den första upptäckten av gravitationsvågor av LIGO, när tvillingdetektorerna byggdes i USA, astrofysiker runt om i världen arbetade i decennier med teoretiska förutsägelser om vilka astrofysiska fenomen LIGO skulle observera. Det är vad de nordvästra teoretiska astrofysikerna gör i denna nya studie, men den här gången för LISA, som byggs av European Space Agency med bidrag från NASA.
"Vi gör våra datorsimuleringar och analyser samtidigt som våra kollegor böjer metall och bygger rymdskepp, så att när LISA äntligen flyger, vi är alla redo samtidigt, " sa Shane L. Larson, biträdande chef för CIERA och en författare till studien. "Denna studie hjälper oss att förstå vilken vetenskap som kommer att finnas i LISA-data."
En klothop är en sfärisk struktur av hundratusentals till miljoner stjärnor, gravitationsmässigt sammanbundna. Klustren är några av de äldsta populationerna av stjärnor i galaxen och är effektiva fabriker av kompakta objektbinärer.
Forskargruppen från Northwestern hade många fördelar med att genomföra denna studie. Under de senaste två decennierna, Frederic A. Rasio och hans grupp har utvecklat ett kraftfullt beräkningsverktyg – ett av de bästa i världen – för att realistiskt modellera globulära kluster. Rasio, Joseph Cummings professor vid Northwesterns avdelning för fysik och astronomi, är ledande författare av studien.
Forskarna använde mer än hundra fullt utvecklade klotklustermodeller med egenskaper som liknar de observerade klothoparna i Vintergatan. Modellerna, som alla skapades på CIERA, kördes på Quest, Northwesterns superdatorkluster. Denna kraftfulla resurs kan utveckla hela 12 miljarder år av en klotklusters liv på några dagar.
