垂死恒星的茧可能是引力波的新来源

到目前为止，天体物理学家只检测到来自双星系统的引力波——两个黑洞、两颗中子星或各有一颗的合并。尽管天体物理学家理论上应该能够探测到来自单一非双星源的引力波，但他们尚未发现这些难以捉摸的信号。

现在，西北大学的研究人员建议寻找一个新的、意想不到的、完全未被探索过的地方：围绕着垂死的大质量恒星的湍流、充满活力的碎片茧。

研究人员有史以来第一次使用最先进的模拟来证明这些茧可以发射引力波。而且，与伽马射线爆发喷流不同，茧的引力波应该在激光干涉引力波天文台 (LIGO) 可以探测到的频带内。

“截至今天，LIGO 只检测到双星系统的引力波，但总有一天它会检测到第一个非双星引力波源，”领导这项研究的西北大学的 Ore Gottlieb 说。“茧是我们应该首先寻找此类来源的地方之一。”

戈特利布将在天文学会第 242 次会议的虚拟新闻发布会上介绍这项研究 。“喷射和湍流的恒星死亡：新的 LIGO 可探测引力波源”将于东部时间 6 月 5 日星期一中午 12:15 举行，作为“遥远星系的发现”会议的一部分。 新闻界人士可以通过虚拟方式或亲自报名参加。

Gottlieb 是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)的 CIERA 研究员 。该研究的西北大学合著者包括教授 Vicky Kalogera 和 Alexander Tchekovskoy、博士后助理 Sharan Banagiri 和 Jonatan Jacquemin-Ide 以及研究生 Nick Kaaz。

新消息来源“不容忽视”

为了进行这项研究，戈特利布和他的合作者使用了最先进的新模拟来模拟一颗大质量恒星的坍塌。当大质量恒星坍缩成黑洞时，它们可能会产生以接近光速传播的强大粒子流(或喷流)。戈特利布的模拟模拟了这个过程——从恒星坍缩成黑洞到喷流逃逸。

最初，他想看看黑洞周围形成的吸积盘是否能发出可探测的引力波。但他的数据中不断出现意想不到的东西。

“当我计算来自黑洞附近的引力波时，我发现了另一个干扰我计算的来源——茧，”戈特利布说。“我试图忽略它。但我发现这是不可能忽略的。然后我意识到茧是一个有趣的引力波源。”

当喷流与垂死恒星的坍塌层相撞时，会在喷流周围形成一个气泡或“茧”。茧是动荡的地方，热气体和碎片随机混合并从射流向各个方向膨胀。戈特利布解释说，当高能气泡从喷流中加速时，它会扰动时空，产生引力波涟漪。

“喷气式飞机从恒星内部深处开始，然后钻出一条路逃逸，”戈特利布说。“这就像你在墙上钻一个洞。旋转的钻头撞到墙上，碎屑从墙上溢出。钻头赋予物质能量。类似地，射流穿过恒星，导致恒星的物质升温并溢出。这些碎片形成了茧的热层。”

呼吁采取行动看茧

戈特利布说，如果茧确实会产生引力波，那么 LIGO 应该能够在接下来的运行中探测到它们。研究人员通常从伽马射线暴或超新星中寻找单源引力波，但天体物理学家怀疑 LIGO 能否探测到这些。

“喷流和超新星都是能量非常大的爆炸，”戈特利布说。“但我们只能检测到来自更高频率、不对称爆炸的引力波。超新星是相当球形和对称的，因此球形爆炸不会改变恒星中的平衡质量分布以发射引力波。伽马射线暴持续几十秒，所以频率非常小——低于 LIGO 敏感的频段。”

相反，Gottlieb 要求天体物理学家将注意力转移到不对称且高能的茧上。

“我们的研究呼吁社区采取行动，将茧视为引力波的来源，”他说。“我们还知道茧会发出电磁辐射，因此它们可能是多信使事件。通过研究它们，我们可以更多地了解恒星最内部发生的事情、喷流的特性及其在恒星爆炸中的普遍性。”

这项名为“喷射和湍流恒星死亡：新的 LVK 可探测引力波源”的研究得到了国家科学基金会、宇航局和费米周期 14 客座研究员计划的支持。能源部橡树岭实验室使这些高级模拟成为可能国家实验室超级计算机峰会和国家能源研究科学计算中心的超级计算机Perlmutter通过ASCR领导计算挑战赛计算时间奖。