Tanyakan Ethan: mengapa cahaya tiba 1,7 detik lebih lambat dari gelombang gravitasi ketika bintang-bintang neutron bergabung?

Penggabungan dua bintang neutron dalam pandangan artis. Distorsi kisi ruang-waktu mewakili gelombang gravitasi yang dipancarkan selama tabrakan, dan sinar sempit adalah pancaran radiasi gamma yang menembak beberapa detik setelah gelombang gravitasi (astronom melihatnya sebagai kilatan sinar gamma)

Pada 17 Agustus, setelah menempuh perjalanan 130 juta tahun, sebuah sinyal dalam bentuk gelombang gravitasi dari dua bintang neutron, yang bergerak ke arah satu sama lain dalam spiral pada tahap fusi terakhir, tiba di Bumi . Setelah tabrakan permukaan dua bintang, sinyal tiba-tiba berakhir, dan ada keheningan. Meskipun sisa-sisa bintang dengan diameter mungkin hanya 20 km ini bergerak dengan kecepatan sekitar 30% dari cahaya, segera setelah tabrakan kami tidak melihat apa-apa. Dan hanya 1,7 detik kemudian sinyal pertama tiba: cahaya dalam bentuk sinar gamma. Dari mana datangnya keterlambatan? Pertanyaan bagus yang diajukan oleh pembaca kami:

Mari kita bahas pentingnya perbedaan 1,7 detik antara waktu kedatangan gelombang gravitasi dan ledakan sinar gamma selama peristiwa terakhir dengan bintang-bintang neutron.

Mari kita lihat apa yang kita lihat dan coba pahami dari mana keterlambatan ini berasal.


Bintang neutron selama fusi hampir secara bersamaan dapat memancarkan gelombang gravitasi dan sinyal elektromagnetik. Tetapi rincian merger agak kabur, dan model teoretis tidak persis bertepatan dengan pengamatan.

Selama mendekati bintang neutron sebelum penggabungan, gelombang gravitasi menjadi lebih kuat. Tidak seperti fusi lubang hitam, tidak ada horizon peristiwa dan singularitas di pusat. Bintang-bintang neutron memiliki permukaan padat, 90% di antaranya terdiri dari neutron, dan 10% dari inti atom lain (dan elektron) yang terletak di permukaan. Diperkirakan bahwa dalam tabrakan dua permukaan seperti itu reaksi nuklir yang tidak terkendali akan terjadi, menghasilkan:

• Pelepasan sejumlah besar materi, berkali-kali lebih besar dari massa Jupiter.
• Pembentukan objek runtuh pusat, kemungkinan besar lubang hitam, dan hanya setelah beberapa ratus milidetik, jika kita berbicara tentang massa yang terlibat dalam peristiwa yang dijelaskan.
• Akselerasi dan pengusiran material di sekitar objek yang rapat.

Kita tahu bahwa ketika dua bintang neutron bergabung, simulasi yang ditunjukkan pada gambar, mereka memancarkan sinar gamma dan menyebabkan fenomena elektromagnetik lainnya. Tetapi pertanyaan mengapa ledakan sinar gamma terjadi 1,7 detik setelah penggabungan gravitasi belum memberikan jawaban yang jelas.

Berkat pengamatan dari lebih dari 70 teleskop dan satelit dalam spektrum dari radiasi gamma ke gelombang radio, kita sekarang tahu bahwa dalam proses seperti itulah sebagian besar elemen berat dari tabel periodik dihasilkan. Kita tahu bahwa sebagai hasil dari merger, kemungkinan besar, bintang neutron yang berputar dengan cepat muncul, yang runtuh menjadi lubang hitam setelah sepersekian detik. Dan kita tahu bahwa sinyal elektromagnetik pertama dari penggabungan ini - sinar gamma berenergi tinggi - tiba 1,7 detik setelah berakhirnya sinyal gravitasi. Pada skala waktu 130 Ma, ini berarti bahwa kecepatan gelombang dan cahaya gravitasi sama dengan kesalahan 10 ^-15 .


Pada saat-saat terakhir merger, dua bintang neutron tidak hanya memancarkan gelombang gravitasi, tetapi juga mengalami ledakan dahsyat yang merespons seluruh spektrum elektromagnetik. Perbedaan kedatangan antara gelombang cahaya dan gravitasi memungkinkan kita belajar banyak tentang alam semesta.

Tapi mengapa sinar gamma terlambat? Mengapa mereka tidak datang bersamaan dengan gelombang gravitasi? Ada dua opsi yang mungkin:

1. Sinar gamma dipancarkan 1,7 detik setelah kontak pertama permukaan bintang neutron.
2. Sinar gamma dipancarkan hampir dengan segera, tetapi tertunda oleh perjalanan materi di sekitar tempat kejadian.

Tangkapannya adalah bahwa jawaban yang benar dapat berubah menjadi kombinasi dari kedua faktor atau alternatif yang tidak mungkin yang mencakup fisika eksotis (sedikit perbedaan dalam kecepatan gelombang gravitasi dan elektromagnetik). Mari kita lihat bagaimana kedua opsi dapat dimainkan.


Selama pendekatan spiral dan penggabungan dua bintang neutron, sejumlah besar energi harus keluar, serta penampilan unsur-unsur berat, gelombang gravitasi dan sinyal elektromagnetik

Keterlambatan penampilan radiasi gamma: ketika dua bintang neutron bertabrakan, mereka memancarkan sinar gamma. Teori terkemuka selama 20 tahun terakhir tentang munculnya kilatan pendek radiasi gamma di langit adalah tabrakan bintang-bintang neutron - dan teori ini telah dikonfirmasi secara luar biasa ketika mengamati peristiwa GW170817. Tapi di mana tepatnya sinar gamma muncul?

• Di permukaan bintang neutron.
• Karena tabrakan materi yang dibuang dengan materi di sekitarnya.
• Dalam inti bintang neutron.

Jika salah satu dari dua opsi terakhir benar, maka sinar gamma seharusnya tertunda. Fusi, pengusiran material, benturannya dengan materi di sekitarnya, emisi materi berenergi tinggi oleh sinar gamma - semua ini membutuhkan waktu. Jika materi terletak pada jarak yang cukup jauh dari bintang neutron, misalnya, dalam puluhan atau ratusan ribu kilometer, ini akan sangat menjelaskan keterlambatan tersebut.


Jika sinar gamma tidak muncul di permukaan, tetapi di dalam bintang neutron yang bertabrakan, juga harus ada penundaan, karena cahaya akan membutuhkan waktu untuk mengatasi ketebalan bintang dan muncul ke permukaan. Gelombang gravitasi tidak tertunda ketika melewati materi padat, dan cahaya tertunda. Ini akan sangat mirip dengan pengamatan kami terhadap supernova pada tahun 1987, ketika neutrino (tidak tertunda melalui materi) tiba empat jam sebelum sinyal cahaya pertama, karena cahaya ditunda melalui sejumlah besar materi. Salah satu dari penjelasan ini dapat menyebabkan keterlambatan sinar gamma.


Kilatan cepat sinar gamma, penyebabnya telah lama dianggap sebagai perpaduan bintang neutron. Lingkungan yang kaya gas dapat menunda kedatangan sinyal.

Emisi instan, tetapi keterlambatan kedatangan: opsi dasar lain. Bahkan jika sinar gamma dipancarkan oleh berlian imitasi, mereka harus melalui lingkungan yang kaya akan materi bintang neutron. Dan itu akan kaya akan materi, karena karena kecepatan pergerakan bintang-bintang neutron yang sangat tinggi dan medan magnet besar yang dipancarkan oleh mereka, bahan itu pasti akan terlempar ke ruang angkasa selama konvergensi dan penggabungan mereka. Tarian bersama mereka berlangsung sangat lama, jadi banyak hal yang harus berkumpul di sekitar mereka, yang melaluinya cahaya harus melewati sebelum mencapai mata kita. Apakah ada cukup bahan untuk menahan cahaya selama 1,7 detik? Itu bisa sangat banyak - dan ini adalah salah satu opsi utama.


The Pulsar in Sails , seperti semua pulsar, adalah contoh mayat bintang neutron. Cukup sering, dikelilingi oleh gas dan materi dengan cara ini, dan zat yang mengelilingi bintang neutron yang berpartisipasi dalam GW170817 mungkin bertanggung jawab atas keterlambatan cahaya.

Untuk mendapatkan jawaban yang benar, perlu mempelajari varian peristiwa untuk kombinasi massa yang berbeda: massa total hingga 2,5 matahari (sebagai hasilnya Anda mendapatkan bintang neutron yang stabil); dari 2,5 hingga 3 massa matahari (seperti dalam peristiwa yang kita lihat - bintang neutron muncul sementara, kemudian berubah menjadi lubang hitam); lebih dari 3 massa matahari (sebuah lubang hitam segera muncul); serta mengukur sinyal cahaya. Kita dapat belajar lebih banyak jika kita menentukan awal fase pendekatan spiral dan kita dapat mengarahkan instrumen ke titik yang diinginkan beberapa saat sebelum merger. Karena LIGO / Virgo dan detektor gelombang gravitasi lainnya telah memperoleh dan menjadi lebih sensitif, tindakan ini akan menjadi lebih baik dan lebih baik bersama kami.


Sisa-sisa supernova 1987n terletak di Awan Magellan Besar pada 165.000 tahun cahaya. Fakta bahwa neutrino tiba berjam-jam sebelum sinyal cahaya pertama memberi tahu kami lebih banyak tentang waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menembus lapisan supernova daripada tentang kecepatan neutrino yang tidak dapat dibedakan dari kecepatan cahaya.

Gagasan eksotis, seperti kecepatan gravitasi dan cahaya yang berbeda, sama sekali tidak perlu untuk menjelaskan pengamatan ini. Keterlambatan 1,7 detik dapat dijelaskan dengan menggunakan beberapa ide yang tidak menyimpang dari fisika tradisional. Gelombang gravitasi hanya melewati materi tanpa perlawanan, dan cahaya berinteraksi dengannya, menjadi gelombang elektromagnetik, dan ini dapat menyebabkan hasil yang sangat berbeda. Dibandingkan dengan supernova, sinar gamma yang menghasilkan bintang neutron sangat kecil, oleh karena itu, untuk sepenuhnya dan akurat menggambarkan efek ini, akan perlu untuk memahami bagaimana bencana ini berlangsung pada interval waktu yang sangat singkat. Ahli teori balap berusaha memahami apa yang terjadi, kami sudah memiliki data. Dan acara seperti itu selanjutnya dapat mengubah segalanya.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].