Forskare har hittat ett nytt sätt att upptäcka några av de mest katastrofala sammanslagningshändelserna i universum innan de inträffar.
Neutronstjärnor, de extremt täta kärnorna av massiva döda stjärnor som spiralerar mot varandra eller in i ett svart hål, kan höja flodvågor i haven av tunga laddade partiklar som omger neutronstjärnor. Forskarna upptäckte att dessa flodvågor manifesteras av regelbundna skurar av elektromagnetisk strålning som kan fungera som ett tidigt varningssystem för förestående sammanslagningar.
Neutronstjärnor är förmodligen de mest extrema objekten i universum. Ja, svarta hål kan vara mer exotiska, men de är relativt enkla - de har bara mycket gravitation. Däremot är neutronstjärnor i grunden gigantiska atomkärnor, och detta involverar intressant och komplex fysik som svarta hål inte har.
En typisk neutronstjärna har en diameter på bara några kilometer, men kan väga flera gånger solens massa. De består nästan uteslutande av neutroner (därav namnet), men innehåller populationer av fria elektroner, protoner och joner av tunga kärnor. De föds från supernovor – explosioner av döende massiva stjärnor – och några av dem kan innehålla de starkaste magnetfälten i hela universum.
Neutronstjärnornas inre är det mest mystiska eftersom trycket och densiteten är så stor att de ligger utanför vår nuvarande kunskap om fysik. Vissa modeller tyder på att kärnor helt enkelt är en enhetlig ström av neutroner, medan andra tyder på att neutronerna själva sönderfaller till sina kvarkar. Bakom den inre kärnan finns en hård, jämn massa av neutroner som långsamt omvandlas till mer komplexa mönster, såsom block och trådar, gemensamt känd som nukleär pasta.
Man tror att den yttre skorpan på en neutronstjärna består av superflytande elektroner och neutroner som ger vika för ett kristallgitter när det närmar sig ytan. Slutligen finns det havet - ett lager av flytande elektroner, neutroner och joner på ett djup av 10 till 100 m.
Materiens extremt exotiska natur under dessa förhållanden – superflytande neutroner händer vanligtvis inte bara – gör neutronstjärnor till främsta kandidater för att studera extrem fysik. Denna idé förfinades efter upptäckten av GW 170817, en gravitationsvågssignal detekterad tillsammans med den elektromagnetiska emissionen av två sammanslagna neutronstjärnor. Samdetektion, kallad multibudbärarastronomi, gör det möjligt för fysiker att undersöka kärnorna i neutronstjärnor som aldrig förr.
Men sedan gravitationsvågor först upptäcktes 2017 har vi inte sett några andra sammanslagningar av neutronstjärnor, vilket är en besvikelse eftersom neutronstjärnor är ett av naturens bästa laboratorier för att testa högenergifysik.
Men nu kan en ny metod för att observera neutronstjärnornas exotiska beteende innebära att vi inte behöver vänta mycket längre. Den nya uppsatsen, som publicerades i maj i preprints-databasen arXiv, fokuserar på oceanerna av neutronstjärnor, som förutom fria elektroner och neutroner även kan innehålla kol, syre och järn. Även om haven är relativt grunda jämfört med neutronstjärnans hela djup, är de det yttre lagret (den otroligt tunna "atmosfären inte räknas med") och den del av neutronstjärnan som lättast reagerar på det yttre universum.
I synnerhet fann forskarna att dessa grunda hav kan stödja tidvatten som hav på jorden. Men för att höja tidvattnet på en neutronstjärna krävs mycket mer gravitationskraft för att övervinna all den extrema gravitationen. Tidvatten i neutronstjärnor visas bara när neutronstjärnan är tillräckligt nära ett massivt, tätt föremål, som en annan neutronstjärna eller ett svart hål.
Lyckligtvis är sådana binärer relativt vanliga, eftersom stjärnor vanligtvis bildas i flera system och sedan går igenom sina livscykler, och så småningom lämnar efter sig kombinationer av svarta hål och neutronstjärnor.
När en neutronstjärna börjar smälta samman med en annan neutronstjärna eller svart hål, spiralerar objekten långsamt ihop under flera år. När de roterar tar gravitationsvågor energi från systemet och drar paret närmare. När allt kommer omkring, i de sista ögonblicken, är sammanslagningen klar på några sekunder.
Men innan det händer kan den kretsande satelliten utlösa en serie resonanstidvatten på neutronstjärnan. Dessa tidvatten kan upprätthålla en frekvens på upp till 100 megahertz och bära upp till 10^29 joule energi. För att ge dig en uppfattning om hur stort det siffran är, använder hela mänskligheten bara 10^20 joule varje år. Resonansvågen av en enda neutronstjärna har mer energi än all strålning från solen i 10 tusen år.
Till skillnad från havsvågor består dessa tidvatten av ett hav av plasma. De extrema elektriska laddningarna gör att tidvattnet kan sända ut intensiva skurar av elektromagnetisk strålning som kan framstå för oss som röntgen- och gammastrålning.
Baserat på sina beräkningar uppskattade forskarna att rymdobservatorier som Fermi Space Gamma-ray Telescope och Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) kunde upptäcka flera neutronstjärnor varje år, och att dessa signaler skulle dyka upp upp till flera år innan den slutliga fusion.
Med denna varning kan astronomer förbereda sina teleskop och observatorier för att vara redo att fånga själva fusionsögonblicket och fördjupa sig i ännu mer värdefull data om elektromagnetiska och gravitationsvågor.
Du kan hjälpa Ukraina att slåss mot de ryska inkräktarna. Det bästa sättet att göra detta är att donera medel till Ukrainas väpnade styrkor genom Rädda liv eller via den officiella sidan NBU.
Prenumerera på våra sidor i Twitter att Facebook.
Läs också: