|
Эффект памяти гравитационных волн
|
|
|
|
Общая теория относительности Эйнштейна прошла все испытания, и ее предсказания оказались точными. Одним из сохранившихся предсказаний является "память гравитационных волн" — предсказание о том, что проходящая гравитационная волна навсегда изменит расстояние между космическими объектами.
|
|
|
|
Считается, что сверхновые — коллапсирующие звезды, которые взрываются наружу, — являются генераторами гравитационных волн, хотя ни одна из них еще не была окончательно обнаружена гравитационно-волновыми интерферометрами на Земле. Также не был замечен эффект гравитационно-волновой памяти при слияниях или вспышках сверхновых из-за ограниченной чувствительности интерферометров при частотах волн ниже 10 Герц.
|
|
|
|
Но теперь в новом исследовании представлен подход к обнаружению эффекта с использованием существующих в настоящее время гравитационно-волновых обсерваторий. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
На сегодняшний день все обнаруженные гравитационные волны возникают в результате слияния черной дыры с черной дырой, нейтронной звезды с нейтронной звездой или слияния одной из них. Но ожидается, что коллапсирующие сверхновые с массой, превышающей примерно 10 масс Солнца, также будут излучать гравитационные волны, хотя и меньшей амплитуды и с другой сигнатурой в гравитационно-волновом интерферометре.
|
|
|
|
|
|
|
В таких сверхновых, называемых "коллапсирующими сверхновыми" (CCSN), ядро массивной звезды подвергается внезапному коллапсу, когда энергия, генерируемая в результате ее термоядерного синтеза, больше не может противодействовать собственной гравитации звезды.
|
|
|
|
Это приводит к появлению исходящей ударной волны от взрыва. Часть энергии, направленной наружу, будет поступать в виде гравитационных волн из—за изменения квадрупольного момента звезды — с общей энергией около 1040 джоулей, - если только вещество звезды не выбрасывается изотропно. (В отличие от электромагнитных волн, гравитационные волны не имеют дипольного момента из-за сохранения импульса.)
|
|
|
|
Также испускаются видимый свет и нейтрино, что открывает возможность обнаружения нескольких мессенджеров, когда они достигают Земли.
|
|
|
|
Гравитационные волны CCSN были бы особенно полезны, поскольку электромагнитные сигналы от сверхновой исходят от ее края, в то время как гравитационные волны генерируются глубоко в ее недрах и поэтому содержат информацию, недоступную иным способом.
|
|
|
|
Однако гравитационные волны от CCSN имеют меньшую амплитуду, чем волны от слияния черных дыр, а деформация на один-два порядка меньше (деформация обратно пропорциональна расстоянию источника от Земли). Их частоты, как правило, ниже, продолжительность короче, а сигнал более сложный и менее отчетливый, чем при массовом слиянии двух тел.
|
|
|
|
Однако при более низких частотах гравитационных волн от CCSN, приблизительно менее 10 Герц, волны обладают гравитационной составляющей "памяти" из-за анизотропного движения вещества и асферического излучения нейтрино. Если выброс нейтрино из CCSN не является изотропным, он будет генерировать дополнительное гравитационное излучение в результате коллапса.
|
|
|
|
Эти волны "всплесков с памятью", созданные на основе ранее испущенных волн, представляют собой другой класс гравитационного излучения, при котором гравитационное возмущение в любой точке возрастает от нуля, колеблется в течение нескольких циклов, а затем, вместо того чтобы снова упасть до нуля, достигает ненулевого конечного значения.
|
|
|
|
Эффект памяти гравитационных волн так и не был обнаружен. Высокочастотные детекторы, такие как advanced LIGO, в основном нечувствительны к эффекту памяти, поскольку время срабатывания этих детекторов, как правило, намного меньше, чем характерное время, за которое неколебательная часть сигнала гравитационных волн достигает своего конечного значения.
|
|
|
|
Интерферометры большего размера, такие как предлагаемая космическая лазерная интерферометрическая антенна космического базирования (LISA), лучше, поскольку они обладают лучшей чувствительностью в низкочастотных диапазонах, где обычные источники памяти более мощные. (Более низкая частота означает более высокую длину волны, поэтому для обнаружения требуются более длинные плечи интерферометра).
|
|
|
|
Ричардсон из Университета Теннесси вместе с коллегами из США, Швеции и Польши, занимающимися моделированием и анализом данных CCSN, изучили эффект памяти с помощью трех современных трехмерных моделей невращающихся CCSN с массами до 25 масс Солнца, используя модель под названием CHIMERA.
|
|
|
|
Их наименьшая масса, равная 9,6 масс Солнца, характерна для CCSNS с меньшей массой; все сигналы гравитационных волн от их моделей показали "медленное нарастание до ненулевого значения деформации, характерного для памяти", - написали они.
|
|
|
|
Сигналы гравитационных волн от взрывов CCSN были в значительной степени случайными, но они обнаружили, что нарастание (амплитуд волн) и фазы запоминания демонстрируют "высокую степень регулярности", которая может быть хорошо аппроксимирована логистическими функциями, типичными для исследований роста населения.
|
|
|
|
Они обнаружили, что гравитационно-волновые сигналы от CCSNs сохранялись более секунды. (Для сравнения, первый гравитационно-волновой сигнал в 2015 году длился всего 0,2 секунды). Они применили фильтры к сигналам для удаления шума, что уменьшило нарастание сигнала до максимального значения, но не стерло его.
|
|
|
|
После дальнейшей доработки они применили согласованную фильтрацию к конечному сигналу, которая также используется в современных детекторах гравитационных волн — поиск по большому количеству ранее рассчитанных шаблонных сигналов, чтобы найти те, которые сильно коррелируют с уточненным сигналом детектора. Они обнаружили, что результаты их модели для CCSN массой 25 масс Солнца могут быть обнаружены на расстоянии 10 килопарсек (около 30 000 световых лет) с вероятностью ложной тревоги менее 0,05% — и в пределах диапазона современных гравитационно-волновых интерферометров.
|
|
|
|
"В настоящее время во всем мире предпринимаются значительные усилия по обнаружению гравитационных волн, возникающих при коллапсе ядра сверхновой", - сказал Ричардсон. "Помимо предложения другой стратегии обнаружения, мы надеемся, что это письмо послужит стимулом для новых исследований в низкочастотной области гравитационно-волновой астрономии".
|
|
|
|
Он отметил, что существует несколько направлений для будущих исследований: "от применения нашей методологии к более распространенным событиям слияния до изучения того, насколько следующее поколение детекторов будет чувствительно к памяти".
|
|
|
|
Источник
|
