Giving physical constraints to supernovae from gravitational wave observations

Sibe Bleuzé
Persbericht

Rekken exploderende sterren ons uit?

Al millennia lang kijkt de mensheid 's nachts vol bewondering op naar de sterrenhemel. Telkens keert dezelfde vraag terug: wat ligt daar toch ver buiten ons bereik met zo'n immense schoonheid? Naarmate de wetenschap zich verder ontwikkelt, kunnen we hier natuurlijk steeds beter op antwoorden. Reeds eeuwenlang kunnen we met behulp van telescopen de sterren bestuderen en trachten we zo hun levensloop te achterhalen. Pas enkele jaren geleden werd een compleet nieuwe techniek succesvol toegepast en kijken we niet langer enkel naar het licht van de sterren, maar ook naar de zwaartekrachtgolven die ze produceren.

Een zwaartekrachtgolf is een fenomeen dat de ruimte zelf beïnvloedt. Als deze golf een object passeert, wordt niet alleen het object uitgerekt of ingekort, maar de volledige ruimte rond het object volgt deze verandering van vorm. Je kan het effect dus niet meten met een meetlat, omdat de meetlat zelf mee het effect van de zwaartekrachtgolf ondergaat. De detectoren die wel in staat zijn om deze golven te meten noemt men interferometers. Daarvan bestaan er op dit moment slechts een vijftal verspreid over de hele wereld.

Een zwaartekrachtsgolf wordt veroorzaakt door een massief voorwerp dat verandert van snelheid of richting, precies zoals Albert Einstein het voorspelde in zijn algemene relativiteitstheorie. In de praktijk betreft het vaak 2 hele zware voorwerpen, zoals sterren, die uitzonderlijk snel rond elkaar draaien. Deze golven kunnen echter ook optreden wanneer grote brokken stermassa zich verplaatsen binnen eenzelfde ster. Dit laatste zou volgens de theorie kunnen gedetecteerd worden bij sterren die op het einde van hun leven in een grote explosie, een supernova genaamd, uiteenspatten.

Resten van de supernova waargenomen door Kepler in het begin van de 17e eeuw

De sterkte van een zwaartekrachtgolf wordt beïnvloed door twee factoren. De eerste factor is de massa van het object dat de golf veroorzaakt. De objecten die tot nu toe waargenomen zijn, waren vaak meer dan 10 keer zo zwaar als onze zon. Sommige exemplaren haalden zelfs 50 tot 100 zonnemassa's. Een exploderende ster kan maar enkele zonnemassa's zwaar zijn, waardoor het effect veel kleiner en dus moeilijker te detecteren is. Een waarneming zal dus moeten wachten tot ook de tweede factor, de afstand tussen de supernova en onszelf, gunstig uitvalt. Dat is helaas waar het schoentje wringt, want een supernova binnen de Melkweg, het sterrenstelsel waarin ons zonnestelsel zich bevindt, komt niet vaak voor. Gebaseerd op historische verslagen en de huidige waarnemingen van de overblijfselen (zie afbeelding) wordt geschat dat dit voor het laatst gebeurd is in het begin van de 17e eeuw. Net buiten de Melkweg is er in 1987 nog één waargenomen die in principe ook nog dichtbij genoeg was, maar veel verder weg moeten we het niet gaan zoeken.

Om toch een idee te krijgen van wat we kunnen leren over supernovae via zwaartekrachtgolven, moeten we ons dus baseren op theoretische berekeningen aangevuld met computersimulaties. Het is natuurlijk niet eenvoudig om een simulatie op te stellen van een evenement dat we nog nooit op deze manier waargenomen hebben. De onbekende factoren van het proces worden door verschillende onderzoeksteams op verschillende manieren ingevuld, waardoor elke simulatie uniek is. Het voordeel hiervan is dat we ons kunnen voorbereiden op verschillende scenario's, moesten we toch het geluk hebben dat er een ster binnen ons bereik haar levenseinde bereikt.

Via machine learning, een manier om een computer orde te laten scheppen in grote hoeveelheden data in meerdere dimensies, hebben we in deze thesis de resultaten van verschillende simulaties kunnen analyseren. We weten ook op welke manier de verschillende onderzoeksteams de onbekende factoren invulden. Daardoor kan er een inschatting gemaakt worden van hoe goed we de waarde van die factoren kunnen bepalen bij een echte supernovawaarneming, waarvan we niet weten welk model er het beste bij past.

Nauwkeurigheid vs. singaal-ruisverhouding van met UMAP voorbewerkte SASI voorspellingen

Die analyse leverde een verrassend goed resultaat op. Zelfs met de eenvoudige machine learning algoritmes die hierbij gebruikt zijn, konden bepaalde factoren in 80 tot 90 procent van de gevallen correct ingeschat worden. In de grafiek hierboven zijn de resultaten te zien voor één van de zes onderzochte factoren. De verschillende lijnen vertegenwoordigen enkele machine learning algoritmes. De nauwkeurigheid daalt pas wanneer het gemeten signaal niet genoeg boven de achtergrondruis uitkomt. Op dat moment kunnen de twee met elkaar verward worden, wat dan ook het algoritme in de war brengt. Dit is echter niet meteen een probleem, want het komt namelijk overeen met de situatie waarin de supernova zich te ver van ons af bevindt. Daarvan was al langer bekend dat de zwaartekrachtsgolven te zwak waren om waar te nemen en dus ook om er informatie uit te halen. Voor twee van de overige vijf factoren werd een iets lagere nauwkeurigheid gehaald. Of dit te wijten is aan een lagere voorspelbaarheid of de nood aan een complexer algoritme is nog niet duidelijk. De andere drie factoren konden met een gelijkaardige nauwkeurigheid als in de bovenstaande grafiek voorspeld worden. Voor een specifieke uiteenzetting van de fysica achter de onderzochte factoren verwijs ik u graag naar de thesis zelf.

Dit resultaat is natuurlijk fantastisch nieuws voor de wetenschap en voor de sterrenkunde in het bijzonder. Aan de ene kant is aangetoond dat het concept werkt en dat we dus aan de hand van machine learning de nodige informatie kunnen verkrijgen uit een waarneming. Indien dus een detectie plaatsvindt, kan men aan de hand van de algoritmes ontwikkeld in deze thesis enkele belangrijke eigenschappen van de supernova bepalen. Aan de andere kant weten we ook dat het best nog even kan duren vooraleer het zo ver is. In de tussentijd kunnen alle modellen en algoritmes scherpgesteld worden. Ook is er de mogelijkheid om verder te bouwen aan bestaande en ook nieuwe detectoren, zoals bijvoorbeeld de Einstein telescoop die misschien een thuis zal vinden ter hoogte van het drielandenpunt bij Vaals. Of we ooit zullen detecteren dat we samen met onze aardbol uitgerekt worden door de zwaartekrachtsgolven van een supernova zal de tijd moeten uitwijzen.

Bibliografie

Abbott, B. P. et al. (2016). “Observation of gravitational waves from a binary black hole merger”. Physical Review Letters, 116(6). doi: 10.1103/physrevlett.116.061102.
Abbott, B. P. et al. (2017). “GW170814: a three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence”. Physical Review Letters, 119(14). doi: 10.1103/physrevlett.119.141101.
Abbott, R. et al. (2021). “All-sky search for short gravitational-wave bursts in the third Advanced LIGO and Advanced Virgo run”. Physical Review D, 104(12). doi: 10.1103/physrevd.104.122004.
Andresen, H. et al. (2017). “Gravitational wave signals from 3D neutrino hydrodynamics simulations of core-collapse supernovae”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 468(2), 2032–2051. doi: 10.1093/mnras/stx618.
Andresen, H. et al. (2019). “Gravitational waves from 3D core-collapse supernova models: the impact of moderate progenitor rotation”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 486(2), 2238–2253. doi: 10.1093/mnras/stz990.
Bethe, H. A. and Wilson, J. R. (1985). “Revival of a stalled supernova shock by neutrino heating”. The Astrophysical Journal, 295, 14–23. doi: 10.1086/163343.
Bisnovatyi-Kogan, G. S. (1971). “The explosion of a rotating star as a supernova mechanism.” Soviet Astronomy, 14, 652.
Blondin, J. M., Mezzacappa, A., and DeMarino, C. (2003). “Stability of standing accretion shocks, with an eye toward core-collapse supernovae”. The Astrophysical Journal, 584(2), 971–980. doi: 10.1086/345812.
Bugli, M., Guilet, J., and Obergaulinger, M. (2021). “Three-dimensional core-collapse supernovae with complex magnetic structures – I. Explosion dynamics”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 507(1), 443–454. doi: 10.1093/mnras/stab2161.
Burrows, A. et al. (2006). “An acoustic mechanism for core-collapse supernova explosions”. New Astronomy Reviews, 50(7). Astronomy with Radioactivities. V, 487–491. doi: https://doi.org/10.1016/j.newar.2006.06.046.
Cornish, N. J. and Littenberg, T. B. (2015). “Bayeswave: Bayesian inference for gravitational wave bursts and instrument glitches”. Classical and Quantum Gravity, 32, 135012, 135012. doi: 10.1088/0264-9381/32/13/135012. arXiv: 1410.3835 [gr-qc].
Cornish, N. J. et al. (2021). “Bayeswave analysis pipeline in the era of gravitational wave observations”. Phys. Rev. D, 103(4), 044006. doi: 10.1103/PhysRevD.103.044006. arXiv: 2011.09494 [gr-qc].
Dálya, G. (2021). “Bevezetés a csillagászatba (Introduction to Astronomy)”. ISBN 978-963-8361-58-5. ELKH CSFK. Chap. 5. Stars, 227–301.
Dálya, G., Raffai, P., and Bécsy, B. (2021). “Bayesian reconstruction of gravitational-wave signals from binary black holes with nonzero eccentricities”. Classical and Quantum Gravity, 38(6), 065002. doi: 10.1088/1361-6382/abd7bf.
Hamacher, D. W. (2014). “Are supernovae recorded in indigenous astronomical traditions?” doi: 10.48550/ARXIV.1404.3253.
Hastie, T., Tibshirani, R., and Friedman, J. (2009). The Elements of Statistical Learning: Data Mining, Inference, and Prediction. Springer series in statistics. Springer.
Hirata, K. et al. (1987). “Observation of a neutrino burst from the supernova SN1987A”. Phys. Rev. Lett., 58 (14), 1490–1493. doi: 10.1103/PhysRevLett.58.1490.
Kuroda, T., Kotake, K., and Takiwaki, T. (2016). “A new gravitational-wave signature from standing accretion shock instability in supernovae”. The Astrophysical Journal, 829(1), L14. doi: 10.3847/2041-8205/829/1/l14.
Kuroda, T. et al. (2017). “Correlated signatures of gravitational-wave and neutrino emission in three-dimensional general-relativistic core-collapse supernova simulations”. The Astrophysical Journal, 851(1), 62. doi: 10.3847/1538-4357/aa988d.
Littenberg, T. B. and Cornish, N. J. (2015). “Bayesian inference for spectral estimation of gravitational wave detector noise”. Phys. Rev. D, 91 (8), 084034. doi: 10.1103/PhysRevD.91.084034.
McInnes, L., Healy, J., and Melville, J. (2018). “UMAP: uniform manifold approximation and projection for dimension reduction”. doi: 10.48550/ARXIV.1802.03426.
Mezzacappa, A. et al. (1996). “Deciphering core collapse supernovae: is convection the key? I. Prompt convection”. doi: 10.48550/ARXIV.ASTRO-PH/9609006.
Mezzacappa, A. et al. (2020). “Gravitational-wave signal of a core-collapse supernova explosion of a 15 solar masses star”. Physical Review D, 102(2). doi: 10.1103/physrevd.102.023027.
Migenda, J. (2017). “Astroparticle physics in Hyper-Kamiokande”. PoS, EPS-HEP2017, 020. doi: 10.22323/1.314.0020.
O’Connor, E. P. and Couch, S. M. (2018). “Exploring fundamentally three-dimensional phenomena in high-fidelity simulations of core-collapse supernovae”. The Astrophysical Journal, 865(2), 81. doi: 10.3847/1538-4357/aadcf7.
Ott, C. D. et al. (2013). “General-relativistic simulations of three-dimensional core-collapse supernovae”. The Astrophysical Journal, 768(2), 115. doi: 10.1088/0004-637x/768/2/115.
Pan, K.-C. et al. (2021). “Stellar mass black hole formation and multimessenger signals from three-dimensional rotating core-collapse supernova simulations”. The Astrophysical Journal, 914(2), 140. doi: 10.3847/1538-4357/abfb05.
Pedregosa, F. et al. (2011). “Scikit-learn: Machine learning in Python”. Journal of Machine Learning Research, 12, 2825–2830.
Powell, J., Cerda-Duran, P., and Marek, S. (2019). Waveforms for O3 CCSN search paper. url: https://wiki.ligo.org/Bursts/O3SearchWaveforms.
Powell, J. and Müller, B. (2019). “Gravitational wave emission from 3D explosion models of core-collapse supernovae with low and normal explosion energies”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 487(1), 1178–1190. doi: 10.1093/mnras/stz1304.
Powell, J. and Müller, B. (2020). “Three-dimensional core-collapse supernova simulations of massive and rotating progenitors”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 494(4), 4665–4675. doi: 10.1093/mnras/staa1048.
Powell, J., Müller, B., and Heger, A. (2021). “The final core collapse of pulsational pair instability supernovae”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 503(2), 2108–2122. doi: 10.1093/mnras/stab614.
Radice, D. et al. (2019). “Characterizing the gravitational wave signal from core-collapse supernovae”. The Astrophysical Journal, 876(1), L9. doi: 10.3847/2041-8213/ab191a.
Raza, N. et al. (2022). “Prospects for reconstructing the gravitational-wave signals from core-collapse supernovae with Advanced LIGO-Virgo and the Bayeswave algorithm”. doi: 10.48550/arXiv.2203.08960.
Rozwadowska, K., Vissani, F., and Cappellaro, E. (2021). “On the rate of core collapse supernovae in the Milky Way”. New Astronomy, 83, 101498. doi: https://doi.org/10.1016/j.newast.2020.101498.
Saeys, Y. (2021). “Machine learning”. English. Course notes for the Ghent University class on Machine Learning (C003758A).
Scheidegger, S. et al. (2010). “The influence of model parameters on the prediction of gravitational wave signals from stellar core collapse”. Astronomy and Astrophysics, 514, A51. doi: 10.1051/0004-6361/200913220.
Shen, G., Horowitz, C. J., and Teige, S. (2011). “New equation of state for astrophysical simulations”. Physical Review C, 83(3). doi: 10.1103/physrevc.83.035802.
Steiner, A. W., Hempel, M., and Fischer, T. (2013). “Core-collapse supernova equations of state based on neutron star observations”. The Astrophysical Journal, 774(1), 17. doi: 10.1088/0004-637x/774/1/17.
Szczepańczyk, M. J. (2020). SN library. url: https://git.ligo.org/marek.szczepanczyk/sngw/-/blob/master/Toolbox/sn_t….
Szczepańczyk, M. J. et al. (2021). “Detecting and reconstructing gravitational waves from the next galactic core-collapse supernova in the advanced detector era”. Physical Review D, 104(10). doi: 10.1103/physrevd.104.102002.
Woosley, S. E., Heger, A., and Weaver, T. A. (2002). “The evolution and explosion of massive stars”. Rev. Mod. Phys., 74 (4), 1015–1071. doi: 10.1103/RevModPhys.74.1015.
Woosley, S. E. and Weaver, T. A. (1995). “The evolution and explosion of massive stars. II. Explosive hydrodynamics and nucleosynthesis”. The Astrophysical Journal Supplement, 101, 181. doi: 10.1086/192237.
Woosley, S. and Heger, A. (2007). “Nucleosynthesis and remnants in massive stars of solar metallicity”. Physics Reports, 442(1). The Hans Bethe Centennial Volume 1906-2006, 269–283. doi: https://doi.org/10.1016/j.physrep.2007.02.009.
Zhao, T. and Lattimer, J. M. (2022). “Universal relations for neutron star f-mode and g-mode oscillations”. doi: 10.48550/ARXIV.2204.03037.

Universiteit of Hogeschool
Fysica en sterrenkunde
Publicatiejaar
2022
Promotor(en)
Gergely Dálya, Archisman Ghosh
Kernwoorden
Share this on: