Пять фактов, которые мы узнаем, если LIGO обнаружит слияние нейтронных звезд

Мартин Рис однажды сказал: «Становится ясно, что в некотором смысле космос предоставляет единственную лабораторию, в которой успешно создаются экстремальные условия для проверки новых идей из физики частиц. Энергии Большого Взрыва были намного выше, чем мы можем достичь на Земле. Поэтому в поиске доказательств Большого Взрыва и изучая вещи вроде нейтронных звезд, мы фактически изучаем фундаментальную физику».

Если и есть одна существенная разница между общей теории относительности и ньютоновской гравитацией, то она заключается в следующем: в теории Эйнштейна ничто не вечно. Даже если бы у вас были две абсолютно стабильные массы на орбите друг друга – массы, которые никогда не сгорали бы, не теряли материал и не менялись – их орбиты постепенно распадались. И если в ньютоновской гравитации две массы будут вращаться вокруг общего центра гравитации вечно, ОТО говорит нам, что небольшое количество энергии теряется с каждым моментом, когда масса ускоряется гравитационным полем, через которое проходит. Эта энергия не исчезает, а уносится в форме гравитационных волн. На протяжении достаточно длительных периодов времени будет излучено достаточно энергии, чтобы две повращающиеся массы коснулись друг друга и слились. Уже трижды LIGO наблюдала это на примере черных дыр. Но, возможно, пришло время сделать следующий шаг и увидеть первое слияние нейтронных звезд, считает Этан Сигел с Medium.com.

Любые массы, попавшие в этот гравитационный танец, будут испускать гравитационные волны, в результате чего орбита будет нарушаться. Причин, по которым LIGO обнаружила черные дыры, три:

1. Они невероятно массивны
2. Они самые компактные объекты во Вселенной
3. В последний момент слияния они вращались на нужной частоте, чтобы их могли зафиксировать лазерные рукава LIGO

Всё это вместе – большие массы, короткие расстояния и правильный частотный диапазон – дают команде LIGO огромную область поиска, в которой они могут нащупать слияние черных дыр. Рябь от этих массивных танцев простирается на много миллиардов световых лет и достигает даже Земли.

Хотя черные дыры должны иметь диск аккреции, электромагнитные сигналы, которые должны черные дыры вырабатывать, остаются неуловимыми. Если электромагнитная часть явления присутствует, она должна вырабатываться нейтронными звездами.

У Вселенной есть много других интересных объектов, которые производят гравитационные волны большой величины. Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик поедают газовые облака, планеты, астероиды и даже другие звезды и черные дыры постоянно. К сожалению, поскольку их горизонты событий такие огромные, по орбите они движутся крайне медленно и выдают неверный диапазон частот, чтобы LIGO могла их зафиксировать. Белые карлики, двойные звезды и другие планетарные системы имеют ту же проблему: эти объекты физически слишком большие и поэтому по орбите движутся слишком долго. Настолько долго, что нам понадобилась бы космическая обсерватория гравитационных волн, чтобы их увидеть. Но есть другая надежда, которая имеет нужную комбинацию характеристик (масса, компактность, нужная частота), чтобы быть увиденной LIGO: сливающиеся нейтронные звезды.

По мере того, как две нейтронные звезды вращаются вокруг друг друга, общая теория относительности Эйнштейна предсказывает орбитальный распад и гравитационное излучение. В последние этапы слияния – которого еще никогда не наблюдали в гравитационных волнах – амплитуда будет на пике и LIGO сможет засечь событие

Нейтронные звезды не настолько массивны, как черные дыры, но они, вероятно, могут быть в два-три раза массивнее Солнца: около 10-20% массы ранее обнаруженных событий LIGO. Они почти такие же компактные, как черные дыры, с физическим размером всего в десять километров радиуса. Несмотря на то, что черные дыры коллапсируют до сингулярности, у них остается горизонт событий, а физический размер нейтронной звезды (в основном это просто гигантское атомное ядро) ненамного превышает горизонт событий черной дыры. Их частота, особенно в последние несколько секунд слияния, отлично подходит для чувствительности LIGO. Если событие происходит в нужном месте, мы сможем узнать пять невероятных фактов.

Во время спирального закручивания и слияния двух нейтронных звезд должно выделяться колоссальное количество энергии, а также тяжелые элементы, гравитационные волны и электромагнитный сигнал, как показано на изображении

Действительно ли нейтронные звезды создают гамма-лучевые всплески?

Существует интересная мысль: что короткие гамма-лучевые всплески, которые невероятно энергичны, но продолжаются менее двух секунд, вызываются слиянием нейтронных звезд. Они проистекают из старых галактик в регионах, в которых не рождается новых звезд, а значит лишь звездные трупы могут их объяснить. Но пока мы не узнаем, как появляется короткого гамма-лучевого всплеска, мы не можем быть уверены в том, что является их причиной. Если LIGO сможет зарегистрировать слияние нейтронных звезд по гравитационным волнам, а мы сможем увидеть короткий гамма-лучевой всплеск сразу после этого, это станет окончательным подтверждением одной из самых интересных идей астрофизики.

Две сливающиеся нейтронные звезды, как показано здесь, действительно закручиваются и испускают гравитационные волны, но их сложнее обнаружить, чем черные дыры. Однако, в отличие от черных дыр, они должны выбрасывать часть своей массы обратно во Вселенную, где там внесет свой вклад в виде тяжелых элементов

Когда нейтронные звезды сталкиваются, какая часть их массы не становится черной дырой?

Если взглянуть на тяжелые элементы в периодической таблице и задаться вопросом, как они появились, на ум приходит «сверхновая». В конце концов, этой истории придерживаются астрономы и она отчасти верна. Но большинство тяжелых элементов в периодической таблице — ртуть, золото, вольфрам, свинец и т.д. — фактически рождены в столкновениях нейтронных звезд. Большая часть массы нейтронных звезд, порядка 90-95%, уходит на создание черной дыры в центре, но оставшиеся внешние слои выбрасываются, формируя большинство этих элементов в нашей галактике. Стоит отметить, что если совокупная масса двух сливающихся нейтронных звезд будет ниже определенного порога, они сформируют нейтронную звезду, а не черную дыру. Это редко, но не невозможно. И сколько точно выбрасывается массы в ходе такого события, мы не знаем. Если же LIGO зарегистрирует такое событие, узнаем.

Здесь проиллюстрирован диапазон Advanced LIGO и ее способности регистрировать слияние черных дыр. Сливающиеся нейтронные звезды могут попадать лишь в одну десятую диапазона и иметь 0,1% обычного объема, но если нейтронных звезд много, LIGO найдет

Насколько далеко LIGO может видеть слияние нейтронных звезд?

Этот вопрос посвящен не самой Вселенной, а скорее тому, насколько велика чувствительность конструкции LIGO. В случае со светом, если объект в 10 раз дальше, он будет в 100 раз тусклее; но с гравитационными волнами, если объект будет в 10 раз дальше, гравитационно-волновой сигнал будет всего в 10 раз слабее. LIGO может наблюдать черные дыры за много миллионов световых лет, но нейтронные звезды будут видимы только в том случае, если будут сливаться в ближайших галактических скоплениях. Если мы увидим такое слияние, мы сможем проверить, насколько хорошее у нас оборудование, либо насколько хорошим оно должно быть.

Когда сливаются две нейтронных звезды, как показано здесь, они должны создавать гамма-лучевые джеты, а также прочие электромагнитные явления, которые в случае близости Земли будут различимы нашими лучшими обсерваториями

Какое послесвечение остается после слияния нейтронных звезд?

Мы знаем, в некоторых случаях, что сильные события, соответствующие столкновениям нейтронных звезд, уже происходили и что они оставляют сигнатуры в других электромагнитных полосах. Помимо гамма-лучей могут быть ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные или радиокомпоненты. Либо это может быть мультиспектральный компонент, проявляющийся во всех пяти полосах, в этом порядке. Когда LIGO обнаружит слияние нейтронных звезд, мы могли бы запечатлеть одно из самых поразительных явлений природы.

Нейтронная звезда, хоть и состоящая из нейтральных частиц, производит самые сильные магнитные поля во Вселенной. Когда нейтронные звезды сливаются, они должны производить как гравитационные волны, так и электромагнитные сигнатуры

Мы сможем впервые совместить гравитационно-волновую астрономую с традиционной

Предыдущие события, запечатленные LIGO, были впечатляющими, но мы не имели возможности наблюдать эти слияния через телескоп. Мы неизбежно сталкивались с двумя факторами:

• Позиции событий нельзя точно определить, имея только два детектора, в принципе
• Слияния черных дыр не имеют яркой электромагнитной (световой) компоненты

Теперь, когда VIRGO работает в синхронизации с двумя детекторами LIGO, мы можем значительно улучшить понимание того, где именно в космосе рождаются эти гравитационные волны. Но что более важно, поскольку слияние нейтронных звезд должно иметь электромагнитный компонент, это может означать, что впервые гравитационно-волновая астрономия и традиционная астрономия будут использованы вместе для наблюдения за одним и тем же событием во Вселенной!

Спиральное закручивание и слияние двух нейтронных звезд, как показано здесь, должно приводить к появлению специфического сигнала гравитационной волны. Также момент слияния должен создавать электромагнитное излучение, уникальное и идентифицируемое само по себе

Мы уже вступили в новую эпоху астрономии, где используем не только телескопы, но и интерферометры. Мы используем не только свет, но и гравитационные волны, чтобы видеть и понимать Вселенную. Если слияние нейтронных звезд покажется в LIGO, даже если оно будет редким, а скорость обнаружения низкой, мы пересечем следующую границу. Гравитационное небо и небо света больше не будут чужими друг другу. Мы будем на шаг ближе к пониманию того, как устроены самые экстремальные объекты во Вселенной, и у нас будет окно в наш космос, которого раньше не было никогда и ни у кого.