I en nyligen publicerad studie, ett team av forskare under ledning av ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) vid Monash-universitetet föreslår en innovativ metod för att analysera gravitationsvågor från sammanslagningar av neutronstjärnor, där två stjärnor särskiljs efter typ (snarare än massa), beroende på hur snabbt de snurrar.

Neutronstjärnor är extremt täta stjärnobjekt som bildas när jättestjärnor exploderar och dör - i explosionen, deras kärnor kollapsar, och protonerna och elektronerna smälter in i varandra och bildar en kvarvarande neutronstjärna.

Under 2017, sammanslagning av två neutronstjärnor, heter GW170817, observerades först av gravitationsvågsdetektorerna LIGO och Jungfrun. Denna sammanslagning är välkänd eftersom forskare också kunde se ljus som producerades från den:högenergigammastrålar, synligt ljus, och mikrovågor. Sedan dess, i genomsnitt tre vetenskapliga studier om GW170817 har publicerats varje dag.

I januari i år, LIGO- och Jungfrusamarbetena tillkännagav en andra sammanslagning av neutronstjärnor, GW190425. Även om inget ljus upptäcktes, denna händelse är särskilt spännande eftersom de två sammanslagna neutronstjärnorna är betydligt tyngre än GW170817, samt tidigare kända dubbla neutronstjärnor i Vintergatan.

Forskare använder gravitationsvågsignaler - krusningar i rymd- och tidsväven - för att upptäcka par neutronstjärnor och mäta deras massor. Den tyngre neutronstjärnan i paret kallas "primär"; den lättare är 'sekundär'.

Det återvunna-långsamma märkningsschemat för ett binärt neutronstjärnsystem

Ett binärt neutronstjärnsystem börjar vanligtvis med två vanliga stjärnor, var och en cirka tio till tjugo gånger mer massiv än solen. När dessa massiva stjärnor åldras och får slut på "bränsle", deras liv slutar i supernovaexplosioner som lämnar efter sig kompakta rester, eller neutronstjärnor. Varje kvarvarande neutronstjärna väger cirka 1,4 gånger solens massa, men har en diameter på endast 25 kilometer.

Den förstfödda neutronstjärnan går vanligtvis igenom en "återvinningsprocess":den ackumulerar materia från sin parade stjärna och börjar snurra snabbare. Den andra födda neutronstjärnan ackumulerar inte materia; dess centrifugeringshastighet saktar också ner snabbt. När de två neutronstjärnorna smälter samman – miljoner till miljarder år senare – förutspås det att återvunnet neutronstjärnan kan fortfarande snurra snabbt, medan den andra icke-återvunna neutronstjärnan förmodligen kommer att snurra långsamt .

Ett annat sätt som ett binärt neutronstjärnsystem kan bildas är genom ständigt föränderliga interaktioner i täta stjärnhopar. I detta scenario, två obesläktade neutronstjärnor, på egen hand eller i andra separata stjärnsystem, Möta varandra, koppla ihop och så småningom smälter samman som ett lyckligt par på grund av deras gravitationsvågor. Dock, nuvarande modellering av stjärnhopar tyder på att detta scenario är ineffektivt när det gäller att slå samman neutronstjärnorna.

OzGrav postdoktor och huvudförfattare till studien Xingjiang Zhu säger:"Motivationen för att föreslå återvunnet-långsam märkning av ett binärt neutronstjärnsystem är tvåfaldigt. Först, det är en generisk funktion som förväntas för sammanslagningar av neutronstjärnor. Andra, det kan vara otillräckligt att märka två neutronstjärnor som primära och sekundära eftersom de med största sannolikhet har liknande massor och det är svårt att säga vilken som är tyngre."

Den senaste OzGrav-studien tar en ny titt på både GW170817 och GW190425 genom att anta återvunnet-slow-schemat. Det visade sig att den återvunna neutronstjärnan i GW170817 bara snurrar milt eller till och med långsamt, medan den för GW190425 snurrar snabbt, möjligen en gång var 15:e millisekund. Man fann också att båda sammanslagningshändelserna sannolikt innehåller två neutronstjärnor med nästan lika massa. Eftersom det finns få eller inga bevis på spinn i GW170817, och neutronstjärnor snurrar ner över tiden, forskarna drog slutsatsen att det binära förmodligen tog miljarder år att smälta samman. Detta stämmer väl överens med observationer av dess värdgalax, kallas NGC 4993, där små stjärnbildningsaktiviteter har hittats under de senaste miljarder år.

OzGravs associerade utredare och samarbetspartner Gregory Ashton säger:"Vårt föreslagna astrofysiska ramverk kommer att tillåta oss att svara på viktiga frågor om universum, såsom finns det olika supernovaexplosionsmekanismer vid bildandet av binära neutronstjärnor? Och i vilken grad bidrar interaktioner inuti täta stjärnhopar till att bilda neutronstjärnesammanslagningar?"

LIGO/Virgo-detektorerna avslutade sin gemensamma tredje observationskörning (O3) tidigare i år och genomför för närvarande planerat underhåll och uppgraderingar. När den fjärde körningen (O4) startar 2021, forskare kommer lätt att förutse fler upptäckter av sammanslagningar av neutronstjärnor. Utsikterna kommer att bli ännu ljusare när den japanska underjordsdetektorn KAGRA och LIGO-India-detektorn ansluter sig till det globala nätverket under de kommande åren.

"Vi befinner oss i en gyllene era av att studera binära neutronstjärnor med mycket känsliga gravitationsvågsdetektorer som kommer att leverera dussintals upptäckter under de närmaste åren, tillägger Zhu.