Woher wissen LIGO und Virgo, dass eine Gravitationswelle ihren Ursprung in einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch hat?

Der offensichtlichste – wenn auch möglicherweise am wenigsten überzeugende – Weg ist die Feststellung der „Massenlücke“: Die schwersten Neutronensterne, die wir kennen (auf andere Weise), sind leichter als 3 Sonnenmassen, während die leichtesten Schwarzen Löcher, die wir kennen (auf andere Weise ) sind schwerer als 5 Sonnenmassen. Wenn also die Bestandteile einer Binärdatei, die LIGO erkennt, Massen in der einen oder anderen Gruppe haben, erwarten die Leute von LIGO/Jungfrau, dass die Objekte wirklich in dieser Gruppe sind. Wenn Sie sich die aktuellen bestätigten Entdeckungen ansehen (siehe Bild unten), werden Sie feststellen, dass tatsächlich eine erhebliche Lücke zwischen den Massen der Neutronensterne und den Massen der Schwarzen Löcher besteht. Aber ein Teil von LIGO/Virgos Job ist es, nach Dingen zu suchen, die wir auf andere Weise nicht finden können, was uns zeigen könnte, dass es leichtere Schwarze Löcher (BHs) oder schwerere Neutronensterne (NSs) gibt, als wir sonst erwarten würden. Sie hören also nicht auf.

Es ist auch möglich, nach „Gezeiteneffekten“ zu suchen. Bevor sich zwei NSs (oder ein NS und ein BH) tatsächlich berühren, wird die Materie im Neutronenstern auf eine Weise verzerrt, die ein Schwarzes Loch nicht kann. Der Aufbau dieser Verzerrung benötigt Energie, die aus der Orbitalenergie der Binärdatei stammt, und dieser Energieverlust prägt sich auf die Orbitalbewegung ein – am deutlichsten auf die „Phase“ der Binärdatei, die der am genauesten erkannte Aspekt ist der Inspiration. Wenn also das OP sagt, dass BH und NS "Gravitationsfelder, abgesehen von ihrer Intensität, in diesem Raum jenseits des Radius, der sie definiert, identisch sind", ist das nicht ganz richtig. Es gilt für isolierte, sich nicht drehende Objekte (dank Birkhoffs Theorem, woran das OP meiner Meinung nach gedacht hat), aber es gilt nicht für Objekte in Binärdateien und nicht, wenn Sie unter den Radius des NS kommen.

Das bringt einen weiteren wichtigen Unterschied hervor: NSs verschmelzen (im Grunde genommen), wenn ihre Materie mit dem anderen Mitglied der Binärdatei in Kontakt kommt, was bedeutend früher ist, als BHs miteinander in Kontakt kommen. Der BH-Radius ist viel kleiner als der NS-Radius, also kann im Wesentlichen ein Paar BHs eine Weile weitermachen und immer schneller und schneller fahren, als wenn ein NS vorhanden wäre. Diese Rede von Entfernungen ist etwas ungenau, daher ist es besser, über das GW-Signal zu sprechen, das in großen Entfernungen von der Binärdatei beobachtet wird (z. B. auf der Erde). Sie können diesen Effekt im Prinzip im GW-Signal sehen, wo das BH-Signal immer schneller und stärker wird, nachdem das NS-Signal "abgeschaltet" wurde. Natürlich ist es nicht wirklich abgeschaltet; Komplizierte Dinge passieren nach dem Zusammenführen von NSs.

Nachdem die Objekte zusammengeführt wurden, weisen sie weiterhin große Unterschiede auf. Wenn zum Beispiel ein NS beteiligt ist, kann etwas Materie in einem "Schwanz" oder in einer Scheibe um den zentralen Überrest herumgeschleudert werden. Diese zusätzliche Bewegung der Materie (das würde nicht passieren, wenn es nur BHs gäbe) kann ihre eigenen Gravitationswellen erzeugen, die möglicherweise direkt nachgewiesen werden könnten. Wahrscheinlicher ist, dass das NS "ausschmiert" und einfach nicht so gut darin ist, Gravitationswellen zu emittieren, sodass die Spitzenamplitude kleiner ist. Wir wissen jedoch, dass BHs, nachdem sie zusammengeführt wurden, exponentiell schnell "klingeln". Grundsätzlich haben BHs eine sehr schnelle, einfache und gut verständliche Ringdown-Phase, während NSs eine chaotische und nicht exponentielle Nachwirkung haben. Zum Beispiel sprechen wir danach häufig über "Berge" auf NSs, die sich weiter drehen und leicht gedämpfte, aber meist kontinuierliche Wellen abgeben. Natürlich ist es möglich, dass eine Fusion mit einem oder zwei NSs am Ende mit einem einzigen BH endet, der ebenfalls einen Ringdown durchführt, aber vorher oder zusätzlich dazu erwarten wir eine Menge anderer komplizierter Dinge. [Beachten Sie, dass die in der Abbildung unten gezeigte binäre NS-Fusion in einem Fragezeichen endet, was bedeutet, dass wir nicht ganz sicher sind, ob der Überrest ein riesiger NS oder ein winziger BH ist.]

Ich sollte erklären, dass diese Fusions- und Post-Merger-Effekte bei ziemlich hohen Frequenzen auftreten (weil NSs Objekte mit relativ geringer Masse sind), während LIGO und Virgo viel weniger empfindlich werden, wenn Sie zu höheren Frequenzen gehen (weil bei hohen Frequenzen dort nur kommen nicht genügend Photonen am Ausgang des Interferometers an; die Anzahl der Photonen pro Periode wird beispielsweise ziemlich zufällig und daher verrauscht). Es ist also nicht ganz klar, ob wir die "Absperrung" oder "Berge" mit aktuellen Detektoren sehen können oder nicht. Vieles hängt von unbekannter Physik ab und von unserer Fähigkeit, gute Modelle für die Signale zu erstellen, die durch die Verschmelzung von NSs abgegeben werden. Aber es ist wahr, dass wir Anfang 2019 noch keine direkten Beweise dafür gesehen haben. Also die letzten beiden Punkte, die ich beschrieben habe, noch nichtin Behauptungen darüber enthalten, ob eine Quelle NSs oder BHs beinhaltet.

Aber eine Sache, die uns mit Sicherheit sagen wird, ob viel Materie im Spiel war – und das war der Grund, warum wir uns bei der 2017 angekündigten binären NS LIGO/Virgo so sicher waren –, ist das Vorhandensein elektromagnetischer Signale. Offensichtlich wird ein Paar BHs allein kein offensichtliches elektromagnetisches Signal abgeben, wohingegen diese riesigen Mengen an Materie, wenn ein NS beteiligt ist, ein Signal abgeben sollten. Wenn wir ein elektromagnetisches „Gegenstück“ entdecken, können wir viel sicherer sein, dass viel Materie im Spiel war; Wenn wir keine entdecken, ist es unwahrscheinlich, dass viel Materie im System war.

Es gibt also kein einziges Beweisstück, das zweifelsfrei beweist, dass nur NSs oder nur BHs beteiligt waren, sondern eine Sammlung von Beweisen, die in diese Richtung weisen. Und wirklich, wie sicher wir uns der Schlussfolgerung sind, hängt von vielen Faktoren ab. Wenn das Signal sehr "laut" und klar ist und die Massen sehr weit von der Massenlücke entfernt sind, können wir uns unserer Schlussfolgerungen besonders sicher sein. Aber wenn das Signal von einer Quelle stammt, die sehr weit entfernt ist oder anderweitig schwer zu messen ist, und wenn die Massen nahe an dieser Massenlücke liegen, dann wären wir uns unserer Schlussfolgerungen nicht allzu sicher. Bei allen bisher bestätigten Systemen kann man meiner Meinung nach sagen, dass die meisten GW-Astronomen von den Schlussfolgerungen sehr überzeugt sind, aber es sind sicherlich weitere Entdeckungen unterwegs, die viel unsicherer sein werden.

Eine Messung der Frequenz der Gravitationswellen eines Binärsystems sagt Ihnen die Umlaufzeit des Binärsystems. Die Änderungsrate dieser Frequenz sagt Ihnen, wie schnell sich diese Umlaufzeit ändert. Die Kombination der beiden bestimmt eindeutig die „ Chirp-Masse “. Grundsätzlich weist ein binäres System mit geringerer Masse eine viel langsamere Frequenzanstiegsrate während des Chirps auf.

In erster Ordnung kann die folgende Gleichung verwendet werden:

Während die einzelnen Komponentenmassen nicht bestimmt werden, gibt die Chirp-Masse eine untere Grenze für die Gesamtmasse$M_T \geq 2.3 M_c$und eine Untergrenze für die Masse der massivsten Komponente$m_1 \geq 1.15M_c$.

So hatte beispielsweise die erste entdeckte Gravitationswellenquelle eine Chirp-Masse von etwa 28 Sonnenmassen, was auf eine minimale Primärmasse von etwa 32 Sonnenmassen hindeutet.

Solch große Massen sind mit Neutronensternquellen völlig inkompatibel. Neutronensterne haben eine maximale Masse von etwa 3 Sonnenmassen (und die massereichsten, die bisher beobachtet wurden, haben etwa 3 Sonnenmassen).

Außerdem können wir beobachten, wie hoch die Frequenz bei der maximalen Amplitude der Gravitationswelle ist. Diese Frequenz nimmt grundsätzlich zu, bis die Verschmelzung der beiden beginnt. Für die erste GW-Quelle liegt das bei etwa 150 Hz. Sie können dann Keplers drittes Gesetz (mit einigen kleinen relativistischen Korrekturen) verwenden, um abzuschätzen, dass die Trennung der beiden Objekte im Fall der ersten GW-Quelle nur eine Trennung von ergibt$\sim 300$km.

Die Kombination dieser beiden Analysen (cramming$60+$Sonnenmassen von Materie in etwas, das etwa dem doppelten Schwarzschild-Radius eines Schwarzen Lochs dieser Masse entspricht), deutet stark auf die Verschmelzung von Schwarzen Löchern hin.

Im Gegenteil, die Verschmelzung von Neutronensternen mit geringerer Masse ergibt viel geringere Chirp-Massen und eine viel höhere Spitzenfrequenz und -trennung. Um jedoch zwischen der Verschmelzung eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs derselben Gesamtmasse zu unterscheiden , ist eine sorgfältige Analyse des Signals kurz vor und nach der Verschmelzung und ein Vergleich mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie erforderlich. Neutronensterne haben eine Oberfläche und werden von Gezeitenkräften beeinflusst, die zu subtilen Unterschieden im GW-Signal führen.

Ein entscheidender Beweis ist schließlich, dass die Verschmelzung von Neutronensternen voraussichtlich zu einem bedeutenden „elektromagnetischen Gegenstück“ – einer Kilonnova – führen wird, die von anderen Teleskopen bei Gammastrahlen bis hin zu optischen und infraroten Wellenlängen beobachtet werden kann. Ein solches Gegenstück wurde im einzigen bestätigten Neutronenstern-Verschmelzungssignal gesehen, es wird jedoch nicht erwartet, dass es vorhanden ist, wenn Schwarze Löcher verschmelzen.

Es gibt ein paar Dinge über das Gravitationswellensignal einer Kilonova, die es von dem Gravitationswellensignal von verschmelzenden binären Schwarzen Löchern unterscheidet, von denen einige im Entdeckungspapier für GW170817 diskutiert werden :

• Das Signal gibt Aufschluss über die Chirp-Masse des Systems, eine Größe, aus der auf die tatsächlichen Massen der Komponenten geschlossen werden kann. Im Fall von verschmelzenden Neutronensternen sollten diese Massen (insgesamt einige Sonnenmassen) natürlich wesentlich geringer sein als die Massen von verschmelzenden Schwarzen Löchern mit Sternmasse (einige zehn Sonnenmassen).
• Die innere Struktur der Neutronensterne sollte zu Gezeitendeformationen führen, die in Rekonstruktionen des Signals sichtbar sind. Schwarze Löcher weisen nicht die gleichen Verformungen auf.
• Es sollte elektromagnetische Gegenstücke zur Gravitationswelle geben, die bei einer Verschmelzung zweier schwarzer Löcher nicht zu erwarten wären, und diese Transienten wurden im gesamten elektromagnetischen Spektrum beobachtet, nachdem GW170817 entdeckt wurde.

Kurz nach der ersten Detektion veröffentlichten die LIGO/Virgo-Kollaborationen in den Annalen der Physik einen Artikel über die grundlegende Physik des Verschmelzens zweier schwarzer Löcher GW150914 . Dies richtet sich an die breite Öffentlichkeit und zeigt mit einigen Berechnungen auf der Rückseite des Umschlags, warum sie glauben, dass das Signal auf zwei kollidierende Schwarze Löcher zurückzuführen ist. Es diskutiert die Chirp-Masse und zeigt, dass die Objekte extrem kompakt gewesen sein müssen, da die endgültige Umlaufbahn extrem klein war. Dies ist in Robs großartiger Antwort bereits gut zusammengefasst , aber ich schlage vor, das Papier selbst zu lesen, das ziemlich einfach zu lesen ist.

Als Ergänzung zu den anderen Antworten:

Ab dem aktuellen LIGO/Virgo-Beobachtungslauf („O3“) gibt die Kollaboration öffentliche Warnungen aus, wenn es eine wahrscheinliche Entdeckung gibt. Diese finden Sie unter https://gracedb.ligo.org/latest/ . Das Hauptziel dieser Warnungen besteht darin, Astronomen über das Ereignis zu informieren und ihnen zu ermöglichen, festzustellen, ob es sich lohnt, das Ereignis mit ihren Teleskopen zu verfolgen.

Neben Informationen über den wahrscheinlichen Ort und die Entfernung der Beobachtung gibt es einen Hinweis auf die wahrscheinliche Art des Ereignisses (binäres Schwarzes Loch, binärer Neutronenstern, BH-NS). Dies ist wichtig, da die meisten Astronomen ihre knappe Teleskopzeit nicht „verschwenden“ wollen, um der entfernten Möglichkeit nachzujagen, ob eine Verschmelzung zweier schwarzer Löcher ein beobachtbares EM-Signal erzeugt. Neuere Medienberichte, die besagen, dass „LIGO beobachtet hat ...“, basieren normalerweise auf diesen Warnungen.

Mein Verständnis ist, dass dies hauptsächlich auf den vorläufig abgeleiteten Massen des Ereignisses basiert. (Wenn es leichter als 3 Sonnenmassen oder so ist, ist es wahrscheinlich ein Neutronenstern. Ist es schwerer als 5 Sonnenmassen? ist es wahrscheinlich ein Schwarzes Loch.) Eine eingehendere Analyse jedes Ereignisses wird zu gegebener Zeit folgen. In der Zwischenzeit sollte die Klassifizierung dieser Ereignisse nur als vorläufiger Hinweis angesehen werden und nicht als absolute Tatsache angesehen werden.