Jarenlang zwaartekrachtsgolf-gefluister van instortende neutronensterren?

Ergens in onze Melkweg kunnen op dit moment maximaal drie extreem zware sterrenresten liggen die al duizenden jaren een subtiel, langgerekt signaal uitzenden. Dat signaal is zo zwak dat we het nog nooit hebben waargenomen. Maar volgens een nieuw rekenmodel zou het precies passen bij de zoekmethodes van toekomstige zwaartekrachtsgolf-detectoren.

Een zwaartekrachtsgolf is een rimpeling in de ruimte zelf, veroorzaakt door hele zware, snel bewegende objecten. We kennen ze vooral van korte, heftige signalen: twee zwarte gaten die in een fractie van een seconde om elkaar heen tollen en samensmelten. Dit nieuwe onderzoek gaat over iets heel anders: een signaal dat niet seconden, maar tienduizenden jaren aanhoudt.

Een ster met extra "haar"

Het draait om een bijzonder soort neutronenster, het extreem dichte restant van een geïmplodeerde zware ster. In sommige uitbreidingen van Einsteins zwaartekrachtstheorie, bekend als scalair-tensor-theorieën, kan zo'n neutronenster een extra eigenschap hebben die onderzoekers "scalair haar" noemen. Dat is in feite een extra zwaartekrachtveld om de ster heen, naast de normale zwaartekracht.

Sommige neutronensterren zijn zo zwaar dat ze eigenlijk niet stabiel kunnen blijven bestaan. Zo'n ster, een "supramassieve" neutronenster genoemd, stort op een gegeven moment alsnog in tot een zwart gat. Als die ster scalair haar had, moet ze die eigenschap kwijtraken tijdens de instorting. Die overgang gaat gepaard met een uitbarsting van energie.

Van korte flits naar jarenlang signaal

Je zou verwachten dat zo'n uitbarsting net als bij een botsing van zwarte gaten een kort, hevig signaal oplevert. Maar de onderzoekers deden driedimensionale computersimulaties van een realistische, draaiende neutronenster en kwamen tot een verrassende conclusie. Door een natuurkundig effect dat de golven "uitsmeert" (dispersie), wordt die oorspronkelijk korte uitbarsting in de praktijk een langgerekt, bijna constant signaal. Dit signaal zit in het kHz-bereik, vergelijkbaar met hoge tonen die je net niet meer hoort, en kan langer dan 10.000 jaar aanhouden.

Zo'n langdurig, bijna onveranderlijk signaal is voor zwaartekrachtsgolf-onderzoekers juist aantrekkelijk. Ze kunnen er speciale "continuous-wave"-technieken op loslaten, methodes die normaal gesproken worden gebruikt om naar heel stabiele, langdurige bronnen te zoeken, zoals ronddraaiende neutronensterren.

De onderzoekers berekenden ook hoe gevoelig toekomstige detectoren moeten zijn om dit te kunnen oppikken. Voor een gerichte zoektocht naar supernovaresten zonder zichtbare neutronenster in het midden, is een gevoeligheid nodig van 233 tot 762 Hz^-1/2. Dat zou haalbaar moeten zijn met een toekomstig netwerk van verbeterde detectoren: A+, de Einstein Telescope en Cosmic Explorer samen.

Toch is dit relevant. Het geeft bouwers van toekomstige detectoren een concreet, nieuw soort doelwit om naar te zoeken. Als zo'n signaal ooit wordt gevonden, zou dat niet alleen een nieuw soort kosmische gebeurtenis bevestigen, maar ook bewijs leveren voor natuurkunde die verder gaat dan Einsteins zwaartekrachtstheorie.

Bron: Descalarization bursts from Galactic supramassive neutron stars: a kHz continuous-wave target