Kan Belgische telescoop Einstein van zijn troon stoten?
Al sinds de tijd van de oude Grieken probeerde de mens het universum te begrijpen. Een van de belangrijkste mijlpalen in de astronomie hebben we te danken aan Albert Einstein na de ontdekking van de algemene relativiteitstheorie al meer dan honderd jaar geleden. Tot op dit punt heeft deze theorie elke beproeving met glans doorstaan, maar een nieuwe Belgische telescoop zou hier wel eens verandering in kunnen brengen. Volgens Marco Vanderpoorten, student fysica aan de Universiteit Gent, onderzocht de mogelijkheden van deze telescoop, de Einstein Telescoop.
Trillingen in het ruimteweefsel
In het begin van de twintigste eeuw kwam Einstein op de proppen met de algemene relativiteitstheorie. De theorie leert ons dat we het universum niet moeten bekijken als een grote leegte met sterren en planeten erin, maar als een weefsel dat uitgerekt en vervormd kan worden. Dit kan vergeleken worden met een gespannen tafellaken waarop een bowlingbal gelegd wordt. Het tafellaken is dan niet meer strak gespannen maar wordt vervormd. Einstein stelde ook dat op dit weefsel golven zich kunnen voortplanten. Dit werd bewezen toen deze zwaartekrachtsgolven enkele jaren geleden rechtstreeks werden waargenomen en een revolutie in de sterrenkunde veroorzaakte.
Waar komen de golven vandaan?
In theorie kan elke massa in het universum zwaartekrachtsgolven opwekken. In de praktijk zijn de sterktes van deze golven zo klein dat alleen deze te zien zijn uit de meest weergaloze explosies in het universum. Denk hierbij aan de samensmelting van twee zwarte gaten, de Big Bang of een supernova explosie, de explosie op het moment dat een ster sterft. Op dit moment zijn alleen zwaartekrachtsgolven van het eerste type waargenomen.
Stervende ster als redder in nood
Op dit moment zijn er twee theorieën die gebruikt worden om de wereld rondom ons te beschrijven. Einsteins relativiteitstheorie en kwantummechanica, de theorie die het gedrag van minuscule deeltjes beschrijft. Wetenschappers zijn er echter nog niet in geslaagd om beide theorieën te verenigen. Observaties van fenomenen waar de effecten van beide theorieën belangrijk zijn, kan ons nieuwe inzichten geven in beide theorieën. Een van zo’n fenomenen is deze supernova explosie. Deze explosie is zo sterk als een paar octiljoen, een één met 27 nullen, atoombommen en kan meetbare zwaartekrachtsgolven meten.
Belgische telescoop?
Het effect van deze golven op de wereld is enorm klein. Zo klein zelfs dat de beste zwaartekracht detectoren op de planeet zoals de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kortweg LIGO, het effect van de golven uit een supernova enkel bij dichte supernovae kunnen zien. Dit heeft tot gevolg dat we met deze detectoren maar één à twee explosies verwachten te meten in de volgende eeuw. Een manier om dit op te lossen is door een betere telescoop te vervaardigen die kleinere signalen kan oppikken.
De Einstein Telescoop is een voorgestelde zwaartekrachtsgolf-detector die kleinere signalen zou moeten kunnen waarnemen. De telescoop zal bestaan uit drie armen van tien kilometer lang waarin een laserstraal wordt gestuurd. Als er een zwaartekrachtsgolf passeert, zal die afstand lichtjes verschillend moeten zijn. Dit effect is maar zo groot als een fractie van een atoom, maar de lasers zouden dit toch kunnen zien. Wat deze telescoop nog extra interessant maakt voor ons Belgen, is dat een van de vooraanstaande plaatsen om deze te bouwen aan de Belgisch-Nederlands-Duitse grens is en zou de eerste zwaartekrachtsgolf detector in België ooit zijn.
Nuttig in zoektocht naar supernovae?
Om te weten te komen of deze nieuwe telescoop effectief een meerwaarde zou bieden onderzocht Marco Vanderpoorten, masterstudent fysica en sterrenkunde aan de Universiteit Gent, de afstand vanwaar een supernova nog net gemeten zou kunnen worden. “Dit is echter niet zo gemakkelijk als het lijkt”, vertelt Vanderpoorten. “In het Universum komen sterren in verschillende vormen en maten voor. Deze zorgen dus ook elk voor verschillend uitziende ontploffingen waarvan de precieze fysica nog niet helemaal begrepen is.”. Vanderpoorten simuleerde de zwaartekrachtsgolven ontstaan door de supernovae van verschillende stervende sterren en achterhaalde hieruit de afstand tot de aarde vanwaar ze zichtbaar zouden zijn met de nieuwe telescoop. “De resultaten zijn hoopgevend. Voor elk gesimuleerde supernovatype kan men de explosie vanop een bijna tien keer zo grote afstand waarnemen dan met de huidige telescopen. Een ruwe schatting leert ons dat we dan niet één à twee supernovae zouden kunnen waarnemen, maar honderden tot zelfs duizenden.”
Is er een rol weggelegd voor AI?
“Alleen weten of de golven ons gepasseerd zijn is natuurlijk niet genoeg om onze huidige theorieën te testen.”, zegt Vanderpoorten, “Er moet informatie uitgehaald worden.”. Aangezien de exacte fysica van supernovae nog niet begrepen is, is dit niet vanzelfsprekend. Volgens Vanderpoorten kan Artificiële intelligentie ons hiermee een handje toesteken: “Er werden verschillende algoritmes getest om de resulterende golven te classificeren naargelang hun eigenschappen. Wanneer de algoritmes al een voorbeeld hadden gezien van een bepaald type, presteerden ze uitzonderlijk goed. Maar wanneer ze een onbekende golf voorgeschoteld kregen gingen ze nog vaak de mist in. Het gelimiteerde aantal beschikbare supernovatypes waren te klein om de AI goed op te leiden. Er zullen dus meer modellen voor verschillende types supernovae gemaakt moeten worden voordat deze methode in de praktijk bruikbaar is”, besluit Vanderpoorten.
Onzekere toekomst
Alhoewel onderzoeken zoals deze aantonen dat zo’n nieuwe verbeterde telescoop een meerwaarde zou zijn in verschillende gebieden van de fysica, is de bouw ervan nog niet zeker. Het bestaan van de telescoop ligt in de handen van de politiek. Eén is zeker, als de telescoop gebouwd is, zullen wetenschappers zoals Vanderpoorten met hun geluk geen blijf weten.
Bibliografie
References
[1] J. Aasi et al. “GRAVITATIONAL WAVES FROM KNOWN PULSARS: RESULTS FROM THE INITIAL DETECTOR ERA”. In: The Astrophysical Journal 785.2 (Apr. 2014), p. 119. doi: 10.1088/0004-637x/785/2/119. url: https://doi. org/10.1088%2F0004-637x%2F785%2F2%2F119.
[2] B. P. Abbott et al. “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”. In: Physical Review Letters 116.6 (Feb. 2016). doi: 10.1103/physrevlett. 116.061102.
[3] B. P. Abbott et al. “Optically targeted search for gravitational waves emitted by core-collapse supernovae during the first and second observing runs of advanced LIGO and advanced Virgo”. In: Physical Review D 101.8 (Apr. 2020). doi: 10 . 1103/physrevd.101.084002.
[4] R. Abbott et al. “All-sky search for short gravitational-wave bursts in the third Advanced LIGO and Advanced Virgo run”. In: Physical Review D 104.12 (Dec. 2021). doi: 10.1103/physrevd.104.122004.
[5] R. Abbott et al. “Search for intermediate-mass black hole binaries in the third observing run of Advanced LIGO and Advanced Virgo”. In: Astronomy & Astrophysics 659 (Mar. 2022), A84. doi: 10.1051/0004-6361/202141452.
[6] K. Van Akoleyen. Relativiteitstheorie. 2020.
[7] E.N. Alexeyev et al. “Detection of the neutrino signal from SN 1987A in the LMC using the INR Baksan underground scintillation telescope”. In: Physics Letters B 205.2 (1988), pp. 209–214. issn: 0370-2693. doi: https://doi.org/10.1016/0370- 2693(88)91651-6.
[8] H Andresen et al. “Gravitational waves from 3D core-collapse supernova models: The impact of moderate progenitor rotation”. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 486.2 (Apr. 2019), pp. 2238–2253. issn: 0035-8711. doi: 10. 1093/mnras/stz990.
[9] H. Andresen et al. “Gravitational wave signals from 3D neutrino hydrodynamics simulations of core-collapse supernovae”. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 468.2032–2051 (2017). doi: 10.1093/mnras/stx618.
[10] Z. Arzoumanian et al. “The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Search for an Isotropic Stochastic Gravitational-wave Background”. In: The Astrophysical Journal Letters 905.2 (Dec. 2020), p. L34. doi: 10.3847/2041-8213/abd401.
[11] H. A. Bethe and J. R. Wilson. “Revival of a stalled supernova shock by neutrino heating”. In: 295 (Aug. 1985), pp. 14–23. doi: 10.1086/163343.
[12] G. S. Bisnovatyi-Kogan. “The Explosion of a Rotating Star As a Supernova Mechanism.” In: 14 (Feb. 1971), p. 652.
[13] J. M. Blondin, A. Mezzacappa, and C. DeMarino. “Stability of Standing Accretion Shocks, with an Eye toward Core-Collapse Supernovae”. In: 584.2 (Feb. 2003), pp. 971–980. doi: 10.1086/345812.
[14] S. W. Bruenn and A. Mezzacappa. “Prompt Convection in Core Collapse Supernovae”. In: 433 (Sept. 1994), p. L45. doi: 10.1086/187544. 50
[15] M. Bugli, J. Guilet, and M. Obergaulinger. “Three-dimensional core-collapse supernovae with complex magnetic structures – I. Explosion dynamics”. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 507.1 (July 2021), pp. 443–454. issn: 0035-8711. doi: 10.1093/mnras/stab2161.
[16] N. Christensen. “Stochastic gravitational wave backgrounds”. In: Reports on Progress in Physics 82.1 (Nov. 2018), p. 016903. doi: 10.1088/1361-6633/aae6b5.
[17] N. J. Cornish and T. B. Littenberg. “Bayeswave: Bayesian inference for gravitational wave bursts and instrument glitches”. In: Classical and Quantum Gravity 32.13 (June 2015), p. 135012. doi: 10.1088/0264-9381/32/13/135012.
[18] G. D´alya et al. Constraining Supernova Physics through Gravitational-Wave Observations. 2023. arXiv: 2302.11480 [astro-ph.HE].
[19] H. Dimmelmeier et al. “Gravitational wave burst signal from core collapse of rotating stars”. In: Physical Review D 78.6 (Sept. 2008). doi: 10 . 1103 / physrevd . 78 . 064056.
[20] D. Elia et al. “The Star Formation Rate of the Milky Way as Seen by Herschel”. In: The Astrophysical Journal 941.2 (Dec. 2022), p. 162. doi: 10 . 3847 / 1538 - 4357/aca27d.
[21] Q. Fang and K. Maeda. Inferring the progenitor mass-kinetic energy relation of stripped-envelope core-collapse supernovae from nebular spectroscopy. 2023.
[22] T. Hastie, R. Tibshirani, and J. Friedman. The Elements of Statistical Learning. 2017.
[23] M.D. Kistler. W. C. Haxton and H. Y¨uksel. “TOMOGRAPHY OF MASSIVE STARS FROM CORE COLLAPSE TO SUPERNOVA SHOCK BREAKOUT”. In: Astrophys J. 778(1).:81 (2013). doi: 10.1088/0004-637X/778/1/81.
[24] A. Heger, S. E. Woosley, and H. C. Spruit. “Presupernova Evolution of Differentially Rotating Massive Stars Including Magnetic Fields”. In: The Astrophysical Journal 626.1 (June 2005), pp. 350–363. doi: 10.1086/429868.
[25] H.-T. Janka. “Explosion Mechanisms of Core-Collapse Supernovae”. In: Annual Review of Nuclear and Particle Science 62(1).:407–451 (2012). doi: 10 . 1146 / annurev-nucl-102711-094901.
[26] T. Kuroda, K. Kotake, and T. Takiwaki. “A NEW GRAVITATIONAL-WAVE SIGNATURE FROM STANDING ACCRETION SHOCK INSTABILITY IN SUPERNOVAE”. In: The Astrophysical Journal Letters 829.1 (Sept. 2016), p. L14. doi: 10.3847/ 2041-8205/829/1/L14.
[27] T. Kuroda et al. “Correlated Signatures of Gravitational-wave and Neutrino Emission in Three-dimensional General-relativistic Core-collapse Supernova Simulations”. In: The Astrophysical Journal 851.1 (Dec. 2017), p. 62. doi: 10.3847/1538- 4357/ aa988d.
[28] M. Maggiore. Gravitational Waves Volume 1: Theory and Experiments. Oxford University Press, 2008. isbn: 978-0-19-857074-5.
[29] M. Maggiore. Gravitational Waves Volume 2: Astrophysics and Cosmology. Oxford University Press, 2018. isbn: 978-0-19-857089-9.
[30] D. V. Martynov et al. “Sensitivity of the Advanced LIGO detectors at the beginning of gravitational wave astronomy”. In: Physical Review D 93.11 (June 2016). doi: 10.1103/physrevd.93.112004. 51
[31] L. McInnes, J. Healy, and J. Melville. UMAP: Uniform Manifold Approximation and Projection for Dimension Reduction. 2020. arXiv: 1802.03426 [stat.ML].
[32] V. Morozova et al. “The Gravitational Wave Signal from Core-collapse Supernovae”. In: The Astrophysical Journal 861.1 (June 2018), p. 10. doi: 10 . 3847 / 1538 - 4357/aac5f1.
[33] E. Muller et al. “Toward Gravitational Wave Signals from Realistic Core-Collapse Supernova Models”. In: The Astrophysical Journal 603.1 (Mar. 2004), pp. 221–230. doi: 10.1086/381360.
[34] E. M¨uller, H.-Th. Janka, and A. Wongwathanarat. “Parametrized 3D models of neutrino-driven supernova explosions”. In: Astronomy & Astrophysics 537 (Jan. 2012), A63. doi: 10.1051/0004-6361/201117611.
[35] J. W. Murphy, C. D. Ott, and A. Burrows. “A MODEL FOR GRAVITATIONAL WAVE EMISSION FROM NEUTRINO-DRIVEN CORE-COLLAPSE SUPERNOVAE”. In: The Astrophysical Journal 707.2 (Dec. 2009), pp. 1173–1190. doi: 10.1088/ 0004-637x/707/2/1173.
[36] E. P. O’Connor and S. M. Couch. “Exploring Fundamentally Three-dimensional Phenomena in High-fidelity Simulations of Core-collapse Supernovae”. In: The Astrophysical Journal 865.2 (Sept. 2018), p. 81. doi: 10.3847/1538-4357/aadcf7.
[37] M. Obergaulinger and M. A . Aloy. “Magnetorotational core collapse of possible ´ gamma-ray burst progenitors – IV. A wider range of progenitors”. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 512.2 (Mar. 2022), pp. 2489–2507. doi: 10.1093/mnras/stac613.
[38] C. D. Ott et al. “GENERAL-RELATIVISTIC SIMULATIONS OF THREE-DIMENSIONAL CORE-COLLAPSE SUPERNOVAE”. In: The Astrophysical Journal 768.2 (Apr. 2013), p. 115. doi: 10.1088/0004-637X/768/2/115.
[39] K.-C. Pan et al. “Stellar Mass Black Hole Formation and Multimessenger Signals from Three-dimensional Rotating Core-collapse Supernova Simulations”. In: The Astrophysical Journal 914.2 (June 2021), p. 140. doi: 10.3847/1538-4357/abfb05.
[40] A. L. Piro and Eric Pfahl. “Fragmentation of Collapsar Disks and the Production of Gravitational Waves”. In: The Astrophysical Journal 658.2 (Apr. 2007), p. 1173. doi: 10.1086/511672.
[41] J. Powell and B. M¨uller. “Gravitational wave emission from 3D explosion models of core-collapse supernovae with low and normal explosion energies”. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 487.1 (May 2019), pp. 1178–1190. issn: 0035-8711. doi: 10.1093/mnras/stz1304.
[42] J. Powell and B. M¨uller. “Three-dimensional core-collapse supernova simulations of massive and rotating progenitors”. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 494.4 (Apr. 2020), pp. 4665–4675. issn: 0035-8711. doi: 10.1093/mnras/ staa1048.
[43] J. Powell, B. M¨uller, and A. Heger. “The final core collapse of pulsational pair instability supernovae”. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 503.2 (Mar. 2021), pp. 2108–2122. issn: 0035-8711. doi: 10.1093/mnras/stab614.
[44] D. Radice et al. “Characterizing the Gravitational Wave Signal from Core-collapse Supernovae”. In: Astrophys J. 876.L9 (2019). doi: 10.3847/2041-8213/ab191a. 52
[45] S. N. Raza. Reconstructing gravitational waves from core-collapse supernovae in Advanced LIGO-Virgo. 2021. doi: http://dx.doi.org/10.14288/1.0403714.
[46] S. N. Raza et al. “Prospects for reconstructing the gravitational-wave signals from core-collapse supernovae with Advanced LIGO-Virgo and the BayesWave algorithm”. In: Phys. Rev. D 106 (6 Sept. 2022), p. 063014. doi: 10.1103/PhysRevD.106. 063014.
[47] S. Scheidegger et al. “The influence of model parameters on the prediction of gravitational wave signals from stellar core collapse”. In: A&A 514 (2010), A51. doi: 10.1051/0004-6361/200913220.
[48] H. Saio et al. The evolutionary stage of Betelgeuse inferred from its pulsation periods. 2023. arXiv: 2306.00287 [astro-ph.SR].
[49] P. R. Saulson. Fundamentals of Interferometric Gravitational Wave Detectors. 1994. doi: 10.1142/2410.
[50] E. Sheldon. “An Introduction to Nuclear Astrophysics, by R.N. Boyd”. In: Contemporary Physics 50.6 (2009), pp. 662–663. doi: 10.1080/00107510902917079.
[51] M. J. Szczepa´nczyk et al. “Detecting and reconstructing gravitational waves from the next galactic core-collapse supernova in the advanced detector era”. In: Physical Review D 104.10 (Nov. 2021). doi: 10.1103/physrevd.104.102002.
[52] T. Takiwaki and K. Kotake. “GRAVITATIONAL WAVE SIGNATURES OF MAGNETOHYDRODYNAMICALLY DRIVEN CORE-COLLAPSE SUPERNOVA EXPLOSIONS”. In: The Astrophysical Journal 743.1 (Nov. 2011), p. 30. doi: 10.1088/0004-637x/743/1/30.
[53] A. Burrows. D. Vartanyan. “Core-collapse supernova explosion theory”. In: Nature 589.29–39 (2021). doi: 10.1038/s41586-020-03059-w.
[54] P. Frank Winkler and G. Gupta. “THE SN 1006 REMNANT: OPTICAL PROPER MOTIONS, DEEP IMAGING, DISTANCE, AND BRIGHTNESS AT MAXIMUM”. In: Astrophys J. 585.324–335 (2002). doi: 10.1086/345985.
[55] S. Zha et al. “Gravitational-Wave Signature of a First-Order Quantum Chromodynamics Phase Transition in Core-Collapse Supernovae”. In: Phys. Rev. Lett. 125 (5 July 2020), p. 051102. doi: 10.1103/PhysRevLett.125.051102.
