Gravitationsvågsforskare vid University of Birmingham har utvecklat en ny modell som lovar att ge nya insikter om neutronstjärnornas struktur och sammansättning.

Modellen visar att vibrationer, eller svängningar, inuti stjärnorna kan mätas direkt från gravitationsvågssignalen enbart. Detta beror på att neutronstjärnor kommer att deformeras under påverkan av tidvattenkrafter, får dem att svänga vid karakteristiska frekvenser, och dessa kodar unik information om stjärnan i gravitationsvågssignalen.

Detta gör asteroseismologi – studiet av stjärnsvängningar – med gravitationsvågor från kolliderande neutronstjärnor till ett lovande nytt verktyg för att undersöka den svårfångade naturen hos extremt tät kärnämne.

Neutronstjärnor är de ultratäta resterna av kollapsade massiva stjärnor. De har observerats i tusental i det elektromagnetiska spektrumet och ändå är lite känt om deras natur. Unik information kan samlas in genom att mäta gravitationsvågorna som emitteras när två neutronstjärnor möts och bildar ett binärt system. Först förutspått av Albert Einstein, dessa krusningar i rymdtiden upptäcktes först av Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) 2015.

Genom att använda gravitationsvågsignalen för att mäta neutronstjärnornas oscillationer, forskare kommer att kunna upptäcka nya insikter om dessa stjärnors inre. Studien publiceras i Naturkommunikation .

Dr Geraint Pratten, vid University of Birminghams Gravitational Wave Institute, är huvudförfattare till studien. Han förklarade:"När de två stjärnorna spirar runt varandra, deras former blir förvrängda av gravitationskraften som utövas av deras följeslagare. Detta blir mer och mer uttalat och lämnar ett unikt avtryck i gravitationsvågssignalen.

"Tidvattenkrafterna som verkar på neutronstjärnorna exciterar svängningar inuti stjärnan och ger oss insikt i deras inre struktur. Genom att mäta dessa svängningar från gravitationsvågssignalen, vi kan extrahera information om den grundläggande naturen och sammansättningen av dessa mystiska föremål som annars skulle vara otillgängliga."

Modellen som utvecklats av teamet gör att frekvensen av dessa svängningar kan bestämmas direkt från gravitationsvågsmätningar för första gången. Forskarna använde sin modell på den första observerade gravitationsvågssignalen från en binär neutronstjärnefusion—GW170817.

Medförfattare, Dr Patricia Schmidt, tillade:"Nästan tre år efter att de första gravitationsvågorna från en binär neutronstjärna observerades, vi hittar fortfarande nya sätt att extrahera mer information om dem från signalerna. Ju mer information vi kan samla in genom att utveckla allt mer sofistikerade teoretiska modeller, desto närmare kommer vi att avslöja neutronstjärnornas sanna natur."

Nästa generations gravitationsvågsobservatorier planerade för 2030-talet, kommer att kunna upptäcka mycket fler binära neutronstjärnor och observera dem i mycket större detalj än vad som är möjligt för närvarande. Modellen som produceras av Birmingham-teamet kommer att ge ett betydande bidrag till denna vetenskap.

"Informationen från denna första händelse var begränsad eftersom det var ganska mycket bakgrundsljud som gjorde signalen svår att isolera, " säger Dr. Pratten. "Med mer sofistikerade instrument kan vi mäta frekvenserna för dessa svängningar mycket mer exakt och detta borde börja ge några riktigt intressanta insikter."