Ученые могут использовать гравитационные волны для изучения столкновений нейтронных звезд и черных дыр

На графике показано, сколько времени требуется исследователям для отправки оповещения. В среднем время оповещения составляет менее 30 секунд. Автор: Andrew Toivonen

Исследователи из Колледжа науки и техники Миннесоты совместно возглавили новое исследование международной группы, которое улучшит обнаружение гравитационных волн — ряби в пространстве и времени.

Цель исследования — отправлять оповещения астрономам и астрофизикам в течение 30 секунд после обнаружения, помогая улучшить понимание нейтронных звезд и черных дыр, а также того, как образуются тяжелые элементы, включая золото и уран.

Статья под названием «Продукты оповещения о гравитационных волнах с малой задержкой и их эффективность во время четвертого сеанса наблюдений LIGO-Virgo-KAGRA» недавно была опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Гравитационные волны взаимодействуют с пространством-временем, сжимая его в одном направлении и растягивая в перпендикулярном направлении. Вот почему современные детекторы гравитационных волн имеют L-образную форму и измеряют относительную длину лазера с помощью интерферометрии — метода измерения, который рассматривает интерференционные картины, создаваемые комбинацией двух источников света.

Обнаружение гравитационных волн требует измерения длины лазера для получения точных результатов: это эквивалентно измерению расстояния до ближайшей звезды, находящейся на расстоянии около четырех световых лет, с точностью до толщины человеческого волоса.

Это исследование является частью сотрудничества LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) — сети гравитационно-волновых интерферометров по всему миру.

В ходе последней кампании по моделированию были использованы данные предыдущих периодов наблюдений и добавлены имитационные сигналы гравитационных волн, чтобы продемонстрировать эффективность обновления программного обеспечения и оборудования. Программное обеспечение может определять форму сигналов, отслеживать их поведение и оценивать, какие массы, например, нейтронных звезд или черных дыр, участвуют в этом событии. Нейтронные звезды — самые маленькие и самые плотные из известных звезд. Они образуются, когда массивные звезды взрываются в виде сверхновых.

Как только это программное обеспечение обнаруживает сигнал гравитационной волны, оно отправляет оповещения подписчикам, в число которых обычно входят астрономы или астрофизики, чтобы сообщить, где в небе находился сигнал. Благодаря обновлениям в этот период наблюдений учёные смогут отправлять оповещения быстрее, менее чем через 30 секунд, после обнаружения гравитационной волны.

«С помощью этого программного обеспечения мы можем обнаружить гравитационную волну от столкновений нейтронных звезд, которая обычно слишком слаба, чтобы ее можно было увидеть, если мы точно не знаем, где искать», — сказал Эндрю Тойвонен, аспирант Школы физики и астрономии Университета Миннесоты.

«Обнаружение гравитационных волн в первую очередь поможет локализовать столкновение и поможет астрономам и астрофизикам завершить дальнейшие исследования».

Астрономы и астрофизики могли бы использовать эту информацию, чтобы понять, как ведут себя нейтронные звезды, изучить ядерные реакции между сталкивающимися нейтронными звездами и черными дырами и как производятся тяжелые элементы, включая золото и уран.

Это четвертый цикл наблюдений с использованием лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), и он продлится до февраля 2025 года. В промежутке между последними тремя периодами наблюдений ученые усовершенствовали методы обнаружения сигналов. После завершения этого цикла наблюдений исследователи продолжат изучать данные и вносить дальнейшие улучшения, чтобы еще быстрее отправлять оповещения.

В работе помимо Тойвонена участвовал Майкл Кофлин, доцент Школы физики и астрономии Университета Миннесоты.

Больше информации: Sushant Sharma Chaudhary et al, Low-latency gravitational wave alert products and their performance at the time of the fourth LIGO-Virgo-KAGRA observing run, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2316474121

Источник: University of Minnesota