Астрофизики предсказали новый источник гравитационных волн

После смерти массивной вращающейся звезды вокруг центральной черной дыры образуется диск материала. По мере того, как материал остывает и падает в черную дыру, новые исследования показывают, что создаются обнаруживаемые гравитационные волны. Автор: Ore Gottlieb

Гравитационные волны возникают после насильственной смерти быстро вращающихся звезд, масса которых в 15-20 раз больше массы Солнца. После того, как у этих звезд заканчивается топливо, они схлопываются, а затем взрываются, что называется коллапсом. Это оставляет после себя черную дыру, окруженную большим диском остаточного материала, который быстро закручивается в пасть черной дыры. Спиральное движение материала, которое длится всего несколько минут, настолько велико, что искажает пространство вокруг себя, создавая гравитационные волны, которые распространяются по всей Вселенной.

Используя новейшие методы моделирования, ученые определили, что эти гравитационные волны можно обнаружить с помощью таких инструментов, как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), которая в 2015 году провела первые прямые наблюдения гравитационных волн от сливающихся черных дыр. Если волны, вызванные коллапсаром, будут обнаружены, это поможет ученым понять таинственные внутренние механизмы 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 Оре Готтлиб, научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон в Нью-Йорке.

«Один из самых интересных вопросов в этой области: каковы потенциальные не связанные с слиянием источники, которые могли бы создавать гравитационные волны, которые мы можем обнаружить с помощью современных установок? Одним из многообещающих ответов теперь являются коллапсары».

Готтлиб вместе с приглашенным ученым CCA и профессором Колумбийского университета Юрием Левиным и профессором Тель-Авивского университета Амиром Левинсоном смоделировали условия, включая магнитные поля и скорости охлаждения, обнаруженные после коллапса огромной вращающейся звезды. Моделирование показало, что коллапсары могут производить гравитационные волны, достаточно мощные, чтобы быть видимыми на расстоянии около 50 миллионов световых лет. Это расстояние составляет менее одной десятой обнаруживаемого диапазона более мощных гравитационных волн от слияний черных дыр или нейтронных звезд, хотя оно все еще сильнее, чем любое смоделированное событие без слияния.

Новые открытия стали неожиданностью, говорит Готтлиб. Ученые думали, что хаотический коллапс создаст беспорядок волн, который будет трудно выделить среди фонового шума вселенной. Представьте себе разогревающийся оркестр. Когда каждый музыкант играет свои ноты, может быть трудно различить мелодию, исходящую от одной флейты или тубы.

С другой стороны, гравитационные волны от слияния двух объектов создают четкие, сильные сигналы, как будто оркестр играет вместе. Это происходит потому, что когда два компактных объекта собираются слиться, они танцуют на тесной орбите, которая создает гравитационные волны с каждым поворотом. Этот ритм почти идентичных волн усиливает сигнал до уровня, который можно обнаружить.

Новые расчеты показали, что вращающиеся диски вокруг коллапсаров также могут испускать гравитационные волны, которые усиливаются вместе, очень похоже на вращающиеся компактные объекты при слияниях.

«Я думал, что сигнал будет гораздо более беспорядочным, потому что диск представляет собой непрерывное распределение газа с вращающимся по разным орбитам материалом», — говорит Готтлиб. «Мы обнаружили, что гравитационные волны от этих дисков испускаются когерентно, и они также довольно сильны».

Не только предсказываемый сигнал от коллапсарных дисков достаточно силен, чтобы его мог обнаружить LIGO, но и расчеты Готтлиба показывают, что несколько событий уже могут быть в существующих наборах данных. Предлагаемые детекторы гравитационных волн, такие как Cosmic Explorer и Einstein Telescope, могли бы обнаруживать десятки событий в год.

Гравитационно-волновое сообщество уже заинтересовано в поиске этих событий, но это непростая задача. Новая работа вычислила гравитационно-волновые сигнатуры для скромного числа потенциальных событий коллапсара. Однако звезды охватывают широкий диапазон профилей массы и вращения, что может создать различия в вычисленных сигналах гравитационных волн.

«В принципе, мы бы в идеале смоделировали 1 миллион коллапсаров, чтобы иметь возможность создать общий шаблон, но, к сожалению, это очень дорогие симуляции», — говорит Готтлиб. «Поэтому на данный момент нам приходится выбирать другие стратегии».

Ученые могут изучить исторические данные, чтобы увидеть, есть ли какие-либо события, похожие на то, что смоделировал Готтлиб. Однако, учитывая разнообразие звезд, каждая из которых имеет потенциально уникальный сигнал, найти соответствие одному из смоделированных сигналов, вероятно, маловероятно.

Другая стратегия заключается в использовании других сигналов от близких событий коллапсаров, таких как сверхновые или гамма-всплески, которые испускаются во время коллапса звезды, а затем в поиске в архивах данных, чтобы выяснить, были ли обнаружены какие-либо гравитационные волны в этой области неба примерно в то же время.

Обнаружение гравитационных волн, генерируемых коллапсаром, поможет ученым лучше понять внутреннюю структуру звезды после коллапса, а также позволит им узнать больше о свойствах черных дыр — двух темах, которые до сих пор остаются плохо изученными.

«Это вещи, которые мы не можем обнаружить иным образом», — говорит Готлиб. «Единственный способ для нас изучить эти внутренние звездные области вокруг черной дыры — это гравитационные волны».

Больше информации: Ore Gottlieb et al, In LIGO's Sight? Vigorous Coherent Gravitational Waves from Cooled Collapsar Disks, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad697c. iopscience.iop.org/article/10. … 847/2041-8213/ad697c