Обнаружение эффекта гравитационно-волновой памяти от коллапсирующих ядер сверхновых

Колебания гравитационных волн с эффектом памяти могут быть обнаружены с помощью предлагаемой космической антенны лазерного интерферометра (LISA). Автор: Журнал Physics magazine и Американское физическое общество.

Теория гравитации Эйнштейна, общая теория относительности, прошла все испытания, и ее предсказания оказались точными. Остается одно предсказание — «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 интерферометрами гравитационных волн на Земле. Также не был замечен эффект памяти гравитационных волн при слияниях или вспышках сверхновых из-за ограниченной чувствительности интерферометров с частотами ниже 10 Герц.

Но теперь в новом исследовании представлен подход к обнаружению эффекта с использованием существующих в настоящее время обсерваторий гравитационных волн. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

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 вовне, будет поступать в виде гравитационных волн из—за изменения квадрупольного момента звезды — с общей энергией около ^10-40 джоулей, - если только вещество звезды не выбрасывается изотропно. (В отличие от электромагнитных волн, гравитационные волны не имеют дипольного момента из-за сохранения импульса.)

Также излучаются 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 гравитационно-волновой памяти никогда 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 гравитационно-волнового сигнала 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".

Подробнее: Колтер Дж. Ричардсон и др., Обнаружение гравитационно-волновой памяти в следующей сверхновой с коллапсом ядра Галактики, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.231401. В arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.02131