MOBY - Моделирање еволуције двојних звезданих система - извора гравитационих таласа

У духу све интензивнијег истраживања универзума, којим се предано баве научници на глобалном нивоу, тим истраживача из Србије одлучио је да покуша да репродукујe еволуцију масивних двојних звезданих система, могућих извора гравитационих таласа.

Петочлани тим, предвођен Др Јеленом Петровић, научним саветником Астрономске опсерваторије у Београду, истраживаће бинарне системе у оквиру пројекта акронимa MOBY (MOdeling BinarY Systems That End in Stellar Mergers and Give Rise to Gravitational Waves), или у преводу Моделирање еволуције двојних звезданих система - извора гравитационих таласа, а који ће од 2024. до 2027. финансирати Фонд за науку Републике Србије.

Пројекат MOBY је настао из потребе да се разуме еволуција масивних двојних система, који важе за могуће изворе гравитационих таласа. Гравитациони таласи су такозвана „таласања” у простор-времену која настају услед неких од најнасилнијих и најенергичнијих процеса у универзуму. Алберт Ајнштајн је предвидео постојање гравитационих таласа 1916. године у својој општој теорији релативности.

Истраживачки тим ће симулирати еволуцију оваквих звезданих система, служећи се нумеричким кодом MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics). Уз помоћ овог кода биће добијени детаљни модели масивних бинарних система, са звездама масa од 100 до 250 маса Сунца. Тим жели да уз помоћ ових модела репродукује и настале црне рупе са масама изнад 50 маса Сунца.

Главна тема истраживања биће блиски двојни системи различитих металичности. Астрономи све хемијске елементе тежe од водоника и хелијума називају металима, те металичност дефинишу као садржај метала или тежих елемената у звезди, а у истраживању ће узети удела звезде са разноликим нивоима метала.

Истраживачки тим ће, користећи MESA еволуциони код, израчунати око 1000 различитих модела двојних система са различитим почетним параметрима. Када научници успеју да установе масе угљенично-кисеоничних језгара у звездама, те да на основу тих информација закључе колике би биле коначне масе очекиваних црних рупа, могли би и да објасне зависност ових маса од почетних параметара моделираних система.

Пре свега, важно је разумети да ће пројектни тим на горе описан начин симулирати еволутивни процес блиских бинарних звезданих система све до стадијума двојних црних рупа.

Ови системи свој живот започињу као вреле звезде плаво-беле боје. Њихова површинска температура премашује 30.000 келвина (K). Оне свој животни пут настављају тако што еволуирају у Волф-Раје бинарне системе путем преноса масе.

Свој живот пак завршавају као компактни бинарни системи који се састоје од две црне рупе. Запажања колаборације телескопа-детектора гравитационих таласа LIGO и Virgo, установила су како су последње фазе живота оваквих система заправо судари црних рупа, праћеним емисијом гравитационих таласа.

Коначни еволуциони модели, настали уз помоћ MESA нумеричког кода, биће затим упоређени са конкретним подацима добијеним са телескопа LIGO и Virgo, како би се што детаљније и што прецизније описала еволуција најмасивнијих система двоструких црних рупа - могућих извора гравитационих таласа.

Детектори гравитационих таласа користе ласерску интерферометрију за мерење ситних комешања у простор-времену које изазивају пролазећи гравитациони таласи, настали услед катаклизмичних космичких догађаја попут судара неутронских звезда или црних рупа.

NSF LIGO (U.S. National Science Foundation Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) обухвата два широко раздвојена интерферометра у Сједињеним Државама — један у Ханфорду, у држави Вашингтон, а други у Ливингстону, у Луизијани — који раде синхронизовано у циљу откривања гравитационих таласа.

Са друге стране океана, у Европи, постоји само једно слично технолошко чудо. Virgo је детектор гравитационих таласа, смештен у оквиру Европске опсерваторије за гравитационе таласе (EGO) близу Пизе у Италији.

У августу 2017. године, Advanced Virgo је завршио своју надоградњу и придружио се LIGO детекторима у потрази за космичким феноменом. До данас је детекторска мрежа Advanced LIGO и Advanced Virgo идентификовала готово сто догађаја гравитационих таласа.

У пракси, и као финални циљ пројекта MOBY, служећи се моделирањем и телескопским подацима, пројектни тим научника из Србије очекује да ће бити у могућности да објасни порекло двојних црних рупа.

Др Петровић је руководилац пројекта и стручњак за моделирање масивних бинарних система. Има дугогодишње искуство у нумеричком моделирању еволуције двојних звезда, као и са астрофизиком високих енергија које је стекла у оквиру светских колаборација LOPES, ANTARES, IceCube и Pierre Auger. Научни је саветник Астрономске опсерваторије у Београду, а претходно је радила на Универзитету у Утрехту и Универзитету у Нијмеген у у Холандији, Бриселском универзитету у Белгији и NIKHEF институту за истраживање честица и астрочестица у Амстердаму, Холандија. Аутор је на око 150 публикација у међународним научним часописима, са h-indexom од око 50.

Др Моника Јурковић има искуство са MESA кодом и вишегодишње искуство у промоцији астрономије. Предмет њеног истраживања је везан за разумевање пулсирајућих променљивих звезда. Активни је промотер астрономије у Србији, учествује у разним ТВ и радио емисијама, a 2011. била је финалиста такмичења „ФамеЛаб” за најбоље научне комуникаторе у Србији. У периоду између 2020. и 2024. године именована је за Националног координатора за популаризацију астрономије Међународне астрономске уније за Србију.

Проф. др Бојан Арбутина је тренутно редовни професор и шеф Катедре за астрономију Математичког факултета Универзитета у Београду, док је професионалну каријеру започео као истраживач-приправник на Астрономској опсерваторији у Београду 2004. године. Аутор је око 40 научних публикација у међународним часописима, са h-индексом 14. Његове главне области истраживања су супернове и остаци супернових, и тесни двојни системи.

Др Гојко Ђурашевић је светски познат експерт за моделирање тесно двојних система и преноса масе међу компонентама система. Од 1980. године запослен је као истраживач на Астрономској опсерваторији у Београду. Његова докторска дисертација је резултат његовог научног усавршавања на Бјураканској астрофизичкој опсерваторији Јерменске академије наука (у то време део СССР-а) и Московском државном универзитету Ломоносов, Sternberg Astronomical Institute.

Др Ана Митрашиновић је руководилац истраживачке групе "Нумеричке симулације и велике базе података" на Астрономској опсерваторији. Има вишегодишње искуство у нумеричком моделирању и најразличитијим методама обраде података, а као члан пројекта радиће на имплементацији машинског учења и примени на MESA моделе, са посебним акцентом на неуронске мреже.

Сваки члан тима има неопходну експертизу за предложене радне пакете, а њихова комплементарност и синергија гарантују да ће предложени задаци бити завршени и да ће пројекат бити спроведен у потпуности.

Извори гравитационих таласа су тренутно једна од горућих тема у глобалној научној јавности. Све истраживачке групе које покушавају да установе који су тачно њихови извори ће имати користи од резултата пројекта MOBY.

На хиљаде истраживача широм планете тренутно изучава еволуцију звезда, што са теоријског, што са посматрачког аспекта. Детаљни модели система које ће дефинисати пројекат MOBY, биће од велике користи како њима, тако и истраживачима различитих објеката попут супернова Ib и Ic, двојних система типа Волф-Раје, двојних система који могу да се детектују у рендгенском делу спектра, извора гама зрака, прогенитора извора гравитационих таласа, и тако даље.

Са друге стране, сви добијени подаци биће доступни заинтересованим истраживачима путем онлајн платформе, која би била вишеструко корисна. Оваква библиотека великог броја изузетно детаљних еволуционих модела може бити основа за бројне мастер и докторске дисертацијe.

Чланови тима планирају да наставе са моделирањем двојних система користећи MESA еволутивни код са надом да ће се укључити све већи број младих студената.