Multi-Messenger-Astronomie: Welches Potenzial hat der gleichzeitige Nachweis von Gravitationswellen und Neutrinos aus einer Supernova?

Dank der Bemühungen des aLIGO- Teams ist die Gravitationswellenastronomie Realität. Gleichzeitig werden Neutrino-Detektoren wie Hyperkamiokande immer empfindlicher.

Meine Frage ist: Wie stehen die Aussichten für den pseudo-simultanen Nachweis von Gravitationswellen und Neutrinos aus denselben Supernovae? Was könnten wir aus einem solchen Ereignis lernen, sowohl über Supernovae als auch über Neutrinos? Was sind insbesondere die Aussichten für die Abschätzung der Neutrinomasse?

Da Neutrinos reisen bei v < c aber Gravitationswellen reisen an v = c , bezieht sich Ihre Frage auf die Messung der Zeitverzögerung eines relativ zum anderen?
@CarlWitthoft Ja, das nehme ich an. Ich denke, die SN müsste weit genug entfernt und die Theorie ausreichend präzise sein, um die Zeitverzögerung ohne Reise vorherzusagen.
Dies mag ein Ausrutscher sein, aber derzeit ist die Aussicht auf eine solche Messung so gut wie gleich Null. aLIGO war gerade noch in der Lage, die Gravitationswellen von etwa 30 kollidierenden Schwarzen Löchern mit Sonnenmasse zu erkennen. Ich weiß es nicht genau, aber wahrscheinlich wird ein Supernova-Signal weit unter den Nachweisgrenzen mit aktuellen Detektoren liegen. Das Hinzufügen weiterer Detektoren zu aLIGO in den nächsten Jahren wird es ermöglichen, Quellen genauer zu lokalisieren, aber die Erkennung nicht verbessern. Und eLISA, der einzige andere Detektor in den Werken, den ich kenne, wird eine schlechtere Empfindlichkeit haben als aLIGO jetzt.
Es könnten einige interessante Beobachtungen möglich sein, wie (a): Sagt uns die Form des Gravitationswellenimpulses etwas über den "Kick" beim asymmetrischen Kernkollaps, und (b): Der Impuls interagiert vermutlich mit nichts als es verlässt den Kern, während einige der Neutrinos dies tun, so dass es einige interessante Eigenschaften der Struktur des Sterns geben kann, die auf diese Weise gemessen werden können. (Beide Ideen basieren auf popwissenschaftlichen Behandlungen, also mit Vorsicht behandeln. Und natürlich gehe ich davon aus, dass Messungen mit ausreichend hoher Empfindlichkeit möglich sein werden.)
@Andy Point (a) ist besonders wahr. Wir würden niemals Gravitationswellen von einer rein kugelförmigen Explosion messen, da Sie ein Quadrupolmoment benötigen, um die Wellen zu erzeugen. Daher würde jede auftretende Wellenerkennung zwangsläufig darauf hindeuten, dass die Supernova bis zu einem gewissen Grad asymmetrisch war. Mit ausreichender Modellierung könnte man möglicherweise herausfinden, wie die Explosion geschehen sein muss, um die beobachtete Welle zu erzeugen.
@zephyr AFAIK GWs werden von Supernovae erwartet , da erwartet wird, dass die Explosion asymmetrisch ist. In Bezug auf die Erkennungsempfindlichkeit waren die verschmelzenden Schwarzen Löcher > 1 Milliarde Lichtjahre entfernt. Ich dachte eher an eine Supernova in M31, die in den nächsten 20-30 Jahren zu erwarten ist. Aber wenn Sie eine Antwort schreiben, die zeigt, dass mein Optimismus unangebracht ist, würde ich sie wahrscheinlich positiv bewerten.
Oh ja, ich sage nicht, dass GW nicht erwartet werden. Es besteht keine Chance, dass eine Supernova kugelsymmetrisch ist. Nur darauf hinzuweisen, dass das Sehen von Gravitationswellen notwendigerweise einen asymmetrischen Kernkollaps impliziert. Das ist ein guter Punkt, was die Entfernungen betrifft. Ich müsste etwas graben, um zu sehen, ob die Nähe dazu führt, dass SN GW nachweisbar ist.
@zephyr Tatsächlich stelle ich mir vor, dass das Neutrino-Erkennungsbit das Ding ist, dessen Empfindlichkeit begrenzt ist ...
@RobJeffries Aber wir entdecken SN-Neutrinos jetzt seit fast 30 Jahren. LIGO gibt es jetzt seit etwa 20 Jahren und wurde erst kürzlich so weit verbessert, dass es (sehr starke) Gravitationswellen nachweisen kann.
@zephyr Superkamiokande entdeckte eine Supernova in der Großen Magellanschen Wolke mit nur ~20 Neutrinos.
@RobJeffries Tatsächlich wurden nur 24 Neutrinos von 3 Neutrino-Observatorien auf der ganzen Welt zusammen entdeckt, Kamiokande 2 hat nur 11 entdeckt, aber Sie haben Recht, SN 1987A ist die einzige aufgezeichnete Supernova, die damit verbundene Neutrinos beobachtet hat.
Der Grund für den Pessimismus bei der GW-Erkennung von Supernovae ist, dass, wenn die Supernova 1000-mal näher ist als die Verschmelzungen der Schwarzen Löcher, die GW-Amplitude um 1000 höher ist, was ziemlich gut klingt, aber es gibt ein Effizienzproblem. Im Fall der BH-Fusion ist die GW-Erzeugung ein wichtiger Energiepfad, sie ermöglicht den Zerfall der Umlaufbahnen. Als man dachte, dass es bei der BH-Fusion eine Gammastrahlendetektion geben könnte, wurden Modelle geschaffen, die etwas kleine Energie in Licht bringen könnten, aber selbst dann geht sehr wenig Energie in irgendetwas anderes als GWs. Nicht so für Supernovae – sie stecken viel Energie in Neutrinos.
Um also das GW von etwas zu erkennen, das aufgrund der ganzen Energie, die in Neutrinos fließt, passiert, benötigen Sie eine Effizienz für die GW-Erzeugung von etwa 1/1000, damit es genauso nachweisbar ist wie BH-Fusionen in 1000-mal weiter Entfernung. Dies sind natürlich grobe Zahlen, aber um diese hohe Effizienz der GW-Erzeugung in etwas zu erreichen, das sehr gut Neutrinos erzeugen kann, würde meiner Meinung nach eine extreme Asymmetrie erforderlich sein. Mit anderen Worten, ich denke, BH-Fusionen machen GWs, weil sie nirgendwo anders Energie haben, aber Supernovae sind sehr gut darin, Energie woanders hin zu bringen.
Dennoch könnten 1/1000-Effizienzarten bei der GW-Erzeugung möglich sein, wenn verschiedene Asymmetrien auftreten, so dass es letztendlich zu einer Beobachterfrage wird. Ein Versuch, sie zu beantworten, wird in diesem Vortrag beschrieben: physical.ncsu.edu/FOE2015/PRESENTATIONS/FOE15_Szczepanczyk.pdf Bisher nur Nullergebnisse, aber wer weiß – vielleicht ist dort eine ziemliche Schlagzeile in Arbeit .
@ Ken G Alle guten Punkte. Mein Verständnis war, dass wir mit aLIGO möglicherweise auf die lokale Gruppe beschränkt sind. Ich hatte gehofft, keine eigene Antwort schreiben zu müssen ...
Ich denke, die Antwort ist, dass die Aussichten unbekannt sind, weil es davon abhängt, was innerhalb der Supernovae passiert, die wir noch nicht kennen. Es gibt also Optimisten, die tatsächlich die Messungen durchführen, und Pessimisten, die sagen, dass sie Ressourcen verschwenden, und wir werden nicht wissen, wer Recht hat, bis sie etwas sehen oder nicht. Aber es hört sich so an, als ob Sie daran interessiert sind, ob wir auf diese Weise mehr über Neutrinos erfahren können als in unseren Beschleunigern. Sie haben eine große Entfernung zum Arbeiten, aber eine schlechte Kontrolle der Emissionszeiten. Ich nehme an, eine weitere Kluft zwischen Optimisten und Pessimisten!
Wir sollten nicht einmal eine Supernova in unserer eigenen Galaxie ausschließen und einen weiteren Faktor von 1000 in der GW-Amplitude angeben, mit der wir arbeiten können. Das wird mehr Geduld erfordern, aber wer weiß. Eine andere Möglichkeit, Ihre Frage zu formulieren, lautet mit unseren aktuellen Detektoren, was die ideale Entfernung für eine Supernova ist, im Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Zeitunterscheidung? Sie gewinnen nicht so viele Sterne, wenn Sie unsere Galaxie verlassen, wenn Sie in der lokalen Gruppe bleiben!
@KenG Es wäre akzeptabel, eine Antwort zu geben, die sowohl den optimistischen als auch den pessimistischen Standpunkt widerspiegelt.
Grundsätzlich sehen wir nur Neutrinos von Supernovae in der lokalen Gruppe. Das gibt uns nur 1-2 Billionen Sterne, mit denen wir arbeiten können, oder alle paar Jahrzehnte eine Supernova. Also sagt der Optimist, seien Sie bereit, Glück zu haben. Der Pessimist tut niemals etwas, das darauf basiert, Glück zu haben! Ein separates Problem ist, ob wir die GWs von Supernovae sehen werden. Der Pessimist sagt, wir haben seit ungefähr einem Jahr nichts mehr gehört, dass aLIGO einsatzbereit war, der Optimist sagt, dass wir mit mehr LIGO-Instrumenten triangulieren und das Rauschen unterdrücken können. Das hängt davon ab, wie asymmetrisch die Explosion ist, was wir nicht wissen, bis wir sie sehen.

Antworten (1)

Dieser Artikel scheint im Grunde die Frage zu beantworten. Sie zitieren aus einer früheren Studie:

„Obwohl derzeit keine CCSNe von Gravitationswellendetektoren entdeckt wurden, deuten frühere Studien darauf hin, dass ein fortschrittliches Detektornetzwerk für diese Quellen bis in die Große Magellansche Wolke (LMC) empfindlich sein könnte. Ein CCSN wäre eine ideale Multi-Messenger-Quelle für aLIGO und AdV, da Neutrinos und elektromagnetische Gegenstücke zu dem Signal zu erwarten wären.Die Gravitationswellen werden tief aus dem Inneren des Kerns von CCSNe emittiert, was die Messung astrophysikalischer Parameter wie der Zustandsgleichung (EOS) aus der Rekonstruktion ermöglichen könnte des Gravitationswellensignals."

Da wir von SN1987A wissen, dass Neutrinos einer Supernova in dieser Entfernung nachgewiesen werden können, scheint das ein „Ja“ zu sein. Die größte Ungewissheit scheint zu sein, wie viel Gravitationswellenenergie von der Supernova emittiert wird und mit welchen Frequenzen, was von einem relativ detaillierten Verständnis der genauen Bewegung der Materie in der Explosion abhängt, von der eine Simulation in der ( ziemlich genial) Video im Artikel.

Guter Artikel abgesehen von den schwachsinnigen Kommentaren, die BTL erscheinen.
@Rob Jeffries: Meine Güte, ja. Habe nicht so weit gelesen
Multi-Messenger-Astronomie: Welches Potenzial hat der gleichzeitige Nachweis von Gravitationswellen und Neutrinos aus einer Supernova?
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