Forskare analyserar data om gravitationsvågor: Har LIGO och Virgo upptäckt en sammanslagning av stjärnor med mörk materia?

Gravitationsvågor

Gravitationsvågor är krusningar i rumtiden som färdas med ljusets hastighet. De uppstår vid några av de mest våldsamma händelserna i universum, som när svarta hål smälter samman, supernovor eller själva Big Bang. Sedan den första upptäckten 2015, och efter tre observationskörningar, har de avancerade LIGO- och Virgo-detektorerna upptäckt omkring 100 sådana vågor.

Tack vare dessa observationer kan vi nu avslöja vilka svarta hål som finns i vårt universum, studera gravitationen i dess mest extrema form och till och med fastställa hur grundämnen som guld och platina bildas när neutronstjärnor smälter samman.

LIGO- och Virgo-detektorerna är inget annat än de mest exakta linjaler som mänskligheten någonsin har byggt, och de kan mäta de subtila sammanpressningar och sträckningar av rumtiden som gravitationsvågorna ger upphov till.

Detektering av vågorna och bestämning av deras källor bygger på att detektordata jämförs med teoretiska modeller, eller ”mallar”, för de vågor som sänds ut av varje typ av källa. Detta är i princip samma sätt som den berömda Shazam-appen berättar för oss vilka detaljer (namn, författare, år.) som finns i musiken som spelas i en bar.

Det finns flera sätt att beräkna gravitationsvågsmallar, men det mest exakta (och ibland det enda) är genom extremt exakta numeriska simuleringar som utförs på några av de mest kraftfulla superdatorerna i världen. Det finns dock ett förbehåll: de flesta numeriska simuleringar ger inte ut den storhet som detektorerna läser av, känd som strain, utan dess andratidsderivat, känd som Newman-Penrose-skalären.

Detta gör att forskarna måste utföra tvåtidsintegraler på resultatet av sina simuleringar. Dr. Isaac Wong, som ledde studien vid Chinese University of Hong Kong, förklarar: ”Även om det låter enkelt att ta integraler är denna operation föremål för välkända fel som vi bara kan hantera för ganska enkla källor som sammanslagningen av svarta hål i cirkulära banor som LIGO och Virgo har upptäckt hittills. Dessutom är det inte helt okomplicerat att göra detta, eftersom det kräver en hel del handpåläggning som inbegriper mänskliga val.”

I ett nyligen publicerat arbete i tidskriften Physical Review X har ett team lett av dr Juan Calderón Bustillo, ”La Caixa Junior Leader” och ”Marie Curie Fellow” vid Galician Institute of High Energy Physics (Spanien) och dr Isaac Wong, från Chinese University of Hong Kong, föreslagit att vända på det sätt som gravitationsvågsanalyser har utförts sedan dess födelse.

I stället för att ta integraler på sina simuleringar föreslår författarna att man tar derivat på detektordata, medan deras simuleringar lämnas orörda.

Rekreation av en fusion mellan bosonstjärnor. Kredit: Nicolas Sanchis Gual och Rocio Garcia Souto.
Rekreation av en fusion mellan bosonstjärnor. Kredit: Nicolas Sanchis Gual och Rocio Garcia Souto.

Dr. Calderón-Bustillo förklarar: ”Även om detta kan se ut som en ganska trivial tweak, kommer det med stora fördelar. För det första förenklar det processen att få fram mallar som kan jämföras med LIGO-Virgo-data. Viktigast av allt är att vi nu kan göra detta på ett säkert sätt för alla källor som superdatorer kan simulera.”

Faktum är att teamet länge har varit intresserat av att studera möjligheten att vissa av de aktuella signalerna kan bero på något mycket mer exotiskt och mystiskt, så kallade bosonstjärnor.

Dr. Sanchis-Gual, medförfattare till studien från University of Valencia, säger: ”Bosonstjärnor beter sig väldigt likt svarta hål, men de är fundamentalt annorlunda eftersom de saknar de två mest utmärkande (och något problematiska) aspekterna av svarta hål: deras yta utan återvändo som kallas händelsehorisont och singulariteten i det inre, där fysikens lagar bryts ned.”

Teamet visste hur man simulerade dessa källor i superdatorer, men ”vi hade stora problem med att förstå hur vi skulle omvandla resultatet av våra simuleringar till något som vi kunde jämföra med detektordata, på grund av välkända problem. Idén att ta derivat från data gjorde saker och ting extremt enkla”, säger professor Alejandro Torres, också från universitetet i Valencia.

Som en första tillämpning av sin nya teknik jämförde teamet, i ett separat arbete publicerat i Physical Review D, några gravitationsvågshändelser som observerats av LIGO och Virgo med en stor katalog av simuleringar för bosonstjärnefusioner.

”Om det finns existerande sammanslagningar av bosonstjärnor skulle dessa kunna stå för åtminstone en del av det vi känner som mörk materia”, säger professor Carlos Herdeiro, från Aveiro-universitetet.

Faktum är att teamet fann att en av de mest mystiska händelserna som hittills observerats, känd som GW190521, verkligen överensstämmer med sådana simuleringar. Detta förstärker ett liknande resultat som erhölls av teamet 2020, erhållet med en betydligt mindre katalog.

Samson Leong, doktorand från Chinese University of Hong Kong och involverad i båda studierna, säger: ”Det är mycket spännande att se att GW190521 överensstämmer med en bosonstjärnefusion. Detta understryker den potentiella rollen för dessa exotiska objekt i framtiden för gravitationsvågsastronomi.”

Professor Tjonnie Li från K.U. Leuven tillägger: ”Detta resultat visar också styrkan i vår nya metod. Genom att helt enkelt ta derivat har vi öppnat ett bredare fönster för att utforska och förstå kosmos genom gravitationsvågor.”

Ytterligare information: Juan Calderón Bustillo et al, Gravitational-Wave Parameter Inference with the Newman-Penrose Scalar, Physical Review X (2023). DOI: 10.1103/PhysRevX.13.041048

Juan Calderón Bustillo et al, Searching for vector boson-star mergers within LIGO-Virgo intermediate-mass black-hole merger candidates, Physical Review D (2023). DOI: 10.1103/PhysRevD.108.123020

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.