Signatures in the local interstellar medium of electromagnetic radiation produced by neutron star gravitational waves

Diep in de stilte tussen de sterren, ver voorbij de beschermende bubbel van onze zon, luistert een paar ruimtesondes al decennia lang naar een zwak, aanhoudend gezoem. Dit zijn de Voyager-sondes, de eerste door mensen gemaakte objecten die het werkelijke interstellaire medium zijn binnengegaan, de uitgestrekte oceaan van gas en stof die de ruimte tussen de sterren vult. Sinds het midden van de jaren tachtig, en voortdurend nadat ze de grens van de heliopauze hadden overgestoken, hebben hun instrumenten plasma-oscillaties gedetecteerd—rimpelingen in het elektrisch geladen gas van de ruimte—die trillen met een frequentie van ongeveer 3.000 cycli per seconde. Veertig jaar lang hebben wetenschappers geprobeerd de bron van deze kosmische ruis te identificeren. Hoewel sommige theorieën suggereerden dat de rimpelingen werden veroorzaakt door zonnestormen die de rand van ons zonnestelsel raakten, groeide de twijfel of onze eigen zon verantwoordelijk kon zijn voor signalen die aanhouden lang nadat de zonneactiviteit is afgenomen. De vraag blijft: wat genereert deze constante, laagfrequente golven in de diepe duisternis?

Een nieuwe studie stelt een radicale verklaring voor, waarbij wordt gesuggereerd dat de bron niet in ons zonnestelsel ligt, maar in de gewelddadige levens van dode sterren. De onderzoekers, Preston Jones, Pragati Pradhan en Douglas Singleton, verkennen een theoretisch mechanisme waarbij de zwaartekrachtgolven uitgezonden door neutronensterren de elektromagnetische straling zouden kunnen genereren die Voyager hoort. Neutronensterren zijn de ongelooflijk dichte, ingestorte kernen van massieve sterren die zijn geëxplodeerd. Sommige van deze sterren draaien honderden keren per seconde rond, en terwijl ze roteren, kunnen ze rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd uitzenden, bekend als zwaartekrachtgolven. Het artikel suggereert dat wanneer deze zwaartekrachtgolven door de ruimte reizen, ze kunnen interageren met het vacuüm zelf om elektromagnetische straling te produceren, een proces dat de auteurs "co-productie" noemen.

De logica van deze verbinding berust op een specifieke keten van gebeurtenissen waarbij frequentie centraal staat. De snelst draaiende neutronensterren kunnen met ongeveer 700 keer per seconde draaien. Als een dergelijke ster zwaartekrachtgolven uitzendt, voorspelt de theorie dat die golven zullen oscilleren op tweemaal de draaisnelheid, oftewel ongeveer 1.400 keer per seconde. De co-productietheorie suggereert vervolgens dat deze zwaartekrachtgolven op hun beurt elektromagnetische golven zouden genereren op tweemaal hun eigen frequentie. Dit resulteert in een eindsignaal dat trilt met ongeveer 3.000 keer per seconde, wat exact overeenkomt met de frequentie van de plasma-oscillaties die Voyager heeft gedetecteerd. Deze wiskundige afstemming biedt een overtuigende verklaring voor waarom de signalen op deze specifieke toonhoogte zijn, een detail waar eerdere op de zon gebaseerde theorieën moeite mee hadden.

De auteurs merken echter voorzichtig op dat dit een suggestie is gebaseerd op theoretische berekeningen, en geen bevestigde ontdekking. Ze berekenen dat voor een neutronenster om een signaal te produceren dat sterk genoeg is om door Voyager gehoord te worden, deze relatief dichtbij moet staan, binnen een theoretische limiet van ongeveer 150 parsec (ongeveer 490 lichtjaar), en extreem energierijk moet zijn. Het artikel identificeert de resten van supernova's, bekend als Cassiopeia A en Vela Jr., als waarschijnlijke kandidaten voor het produceren van dergelijke energetische zwaartekrachtgolven, hoewel er wordt opgemerkt dat de Vela-pulsar zelf ongeveer twee keer deze geschatte afstandslimiet van de aarde verwijderd is, waardoor het een minder waarschijnlijke bron is voor de specifieke Voyager-observaties. De onderzoekers overwegen ook hoe de signalen jarenlang kunnen aanhouden. Ze stellen voor dat hoewel de initiële energiepuls van een neutronenster-gebeurtenis kort kan zijn, de resulterende rimpelingen in het interstellaire plasma kunnen worden in stand gehouden door de unieke eigenschappen van de ruimte tussen de sterren, vergelijkbaar met een bel die blijft rinkelen lang nadat hij is aangeslagen.

De studie kijkt ook naar de bredere context van wat Voyager heeft waargenomen. De ruimtesonde heeft kosmische stralen gedetecteerd, hoogenergetische deeltjes, die aankomen met een snelheid die ruwweg overeenkomt met de frequentie van 'glitches', of plotselinge versnellingen, in de rotatie van bekende neutronensterren. Deze correlatie geeft gewicht aan het idee dat neutronensterren de bron zijn van de activiteit die Voyager waarneemt. Als de plasma-oscillaties inderdaad het resultaat zijn van zwaartekrachtgolven die worden omgezet in radiogolven, zou dit betekenen dat de Voyager-sondes effectief fungeren als detectoren voor een type zwaartekrachtgolf dat huidige aardse observatoria niet kunnen zien. Bestaande detectoren zijn afgestemd op veel lagere frequenties en zouden deze snelle, hoge signalen missen.

De auteurs benadrukken dat het sterkste bewijs voor deze theorie een gelijktijdige detectie zou zijn van een zwaartekrachtgolfsignaal van 1.500 cycli per seconde en de plasma-oscillatie van 3.000 cycli per second. Ze onderzochten gegevens uit de zomer van 2017, toen Voyager een kosmische straalgebeurtenis en een plasma-oscillatie registreerde, en merkten op dat er op dat moment geen zwaartekrachtgolfsignaal werd gerapporteerd. Het artikel verduidelijkt echter dat de afwezigheid van detectie consistent is met de bron die zich buiten de huidige hoogfrequente gevoeligheidsgrenzen van detectoren bevindt, in plaats van een definitief negatief resultaat van een specifieke zoekopdracht in dat venster. Het artikel concludeert dat hoewel het bewijs nog niet definitief is, de co-productietheorie een plausibele, fysiek consistente verklaring biedt voor een mysterie dat al decennia voortduurt. Het suggereert dat het gezoem dat Voyager hoort de echo is van de spin van een stervende ster, getransformeerd door de wetten van de fysica tot een geluid dat de hele melkweg kan doorkruisen.