|
Источники гравитационных волн от коллапсирующих звезд
|
|
|
|
Гибель массивной, быстро вращающейся звезды может потрясти Вселенную. Согласно новому исследованию, опубликованному 22 августа в Astrophysical Journal Letters, возникающая в результате этого рябь, известная как гравитационные волны, может быть ощутима с помощью приборов на Земле. Ученые, стоящие за исследованием, предсказывают, что эти новые источники гравитационных волн еще только предстоит обнаружить.
|
|
|
|
Гравитационные волны возникают после насильственной гибели быстро вращающихся звезд, масса которых в 15-20 раз превышает массу Солнца. Когда у этих звезд заканчивается топливо, они взрываются, и это явление известно как коллапсар. В результате образуется черная дыра, окруженная большим диском из остаточного материала, который быстро закручивается в чреве черной дыры. Спиральное вращение материала, которое длится всего несколько минут, настолько велико, что искажает пространство вокруг себя, создавая гравитационные волны, распространяющиеся по Вселенной.
|
|
|
|
Используя передовые методы моделирования, ученые определили, что эти гравитационные волны могут быть обнаружены с помощью таких инструментов, как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), которая провела первые прямые наблюдения гравитационных волн от сливающихся черных дыр в 2015 году. Если бы коллапсарные волны были обнаружены, они помогли бы ученым понять таинственное внутреннее устройство коллапсаров и черных дыр.
|
|
|
"В настоящее время единственные источники гравитационных волн, которые мы обнаружили, возникают в результате слияния двух компактных объектов — нейтронных звезд или черных дыр", - говорит руководитель исследования Руд Готлиб, научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон (CCA) в Нью-Йорке.
|
|
|
|
"Один из самых интересных вопросов в этой области заключается в следующем: каковы потенциальные источники, не связанные с слиянием, которые могли бы генерировать гравитационные волны, которые мы можем обнаружить с помощью современных средств? Одним из многообещающих ответов на этот вопрос являются коллапсары".
|
|
|
|
Готлиб вместе с приглашенным ученым из CCA, профессором Колумбийского университета Юрием Левиным и профессором Тель—Авивского университета Амиром Левинсоном смоделировали условия, включая магнитные поля и скорость охлаждения, возникшие после коллапса массивной вращающейся звезды. Моделирование показало, что коллапсары могут генерировать гравитационные волны, достаточно мощные, чтобы их можно было увидеть на расстоянии около 50 миллионов световых лет. Это расстояние составляет менее одной десятой от дальности обнаружения более мощных гравитационных волн, возникающих при слиянии черных дыр или нейтронных звезд, хотя оно все равно сильнее, чем любое другое событие, не связанное со слиянием, которое когда-либо моделировалось.
|
|
|
|
Новые результаты стали неожиданностью, говорит Готлиб. Ученые полагали, что хаотический коллапс породит нагромождение волн, которые будет трудно различить среди фонового шума Вселенной. Представьте себе разогревающийся оркестр. Когда каждый музыкант играет по своим нотам, бывает трудно различить мелодию, исходящую от одной флейты или тубы.
|
|
|
|
С другой стороны, гравитационные волны от слияния двух объектов создают четкие, сильные сигналы, похожие на звуки оркестра, играющего вместе. Это происходит потому, что, когда два компактных объекта собираются объединиться, они движутся по тесной орбите, которая создает гравитационные волны при каждом обороте. Этот ритм почти идентичных волн усиливает сигнал до уровня, который можно обнаружить.
|
|
|
|
Новое моделирование показало, что вращающиеся диски вокруг коллапсаров также могут излучать гравитационные волны, которые усиливаются вместе, очень похоже на вращающиеся по орбите компактные объекты при слиянии.
|
|
|
|
"Я думал, что сигнал будет намного более беспорядочным, потому что диск представляет собой непрерывное распределение газа, вещество которого вращается по разным орбитам", - говорит Готлиб. "Мы обнаружили, что гравитационные волны от этих дисков излучаются когерентно, и они также довольно сильные".
|
|
|
|
Предсказанный сигнал от коллапсарных дисков не только достаточно силен, чтобы его можно было обнаружить с помощью LIGO, но и расчеты Готлиба показывают, что некоторые события уже могут быть зафиксированы в существующих наборах данных. Предлагаемые детекторы гравитационных волн, такие как Cosmic Explorer и телескоп Эйнштейна, могут регистрировать десятки событий в год.
|
|
|
|
Сообщество специалистов по гравитационным волнам уже заинтересовано в поиске этих событий, но это непростая задача. В новой работе были рассчитаны сигнатуры гравитационных волн для небольшого числа потенциальных коллапсарных событий. Однако звезды имеют широкий диапазон масс и профилей вращения, что может привести к различиям в рассчитанных сигналах гравитационных волн.
|
|
|
|
"В принципе, в идеале мы бы смоделировали 1 миллион коллапсаров, чтобы иметь возможность создать общий шаблон, но, к сожалению, это очень дорогостоящее моделирование", - говорит Готлиб. "Итак, на данный момент мы должны выбрать другие стратегии".
|
|
|
|
Ученые могут изучить исторические данные, чтобы увидеть, похожи ли какие-либо события на то, которое смоделировал Готлиб. Однако, учитывая разнообразие звезд, каждая из которых подает потенциально уникальный сигнал, найти совпадение с одним из смоделированных сигналов, вероятно, маловероятно.
|
|
|
|
Другая стратегия заключается в использовании других сигналов от близких коллапсарных событий, таких как вспышки сверхновых или гамма—всплески, которые испускаются во время коллапса звезды, а затем в поиске в архивах данных, чтобы узнать, были ли обнаружены какие-либо гравитационные волны в этой области неба примерно в то же время.
|
|
|
|
Обнаружение гравитационных волн, генерируемых коллапсаром, помогло бы ученым лучше понять внутреннюю структуру звезды после коллапса, а также позволило бы им узнать о свойствах черных дыр - двух темах, которые остаются малоизученными.
|
|
|
|
"Это вещи, которые мы не можем обнаружить иным способом", - говорит Готлиб. "Единственный способ для нас изучить эти внутренние звездные области вокруг черной дыры - это использовать гравитационные волны".
|
|
|
|
Источник
|
