Последний «чистый» тон, издаваемый после столкновения нейтронных звезд, может раскрыть их недра

Сигнал, испускаемый двумя сливающимися нейтронными звездами, напоминает сигнал камертона. Автор: L. Rezzolla/pixabay

Ученые из Франкфуртского университета имени Гете нашли новый способ исследования недр нейтронных звезд с помощью гравитационных волн, возникающих при их столкновениях. Анализируя фазу «длинного рингдауна» — чистого тонального сигнала, испускаемого остатком после слияния, — они обнаружили сильную корреляцию между свойствами сигнала и уравнением состояния вещества нейтронной звезды. Их результаты были недавно опубликованы в журнале Nature Communications.

Столкновение двух нейтронных звезд, подобное тому, что наблюдалось в 2017 году, дает уникальную возможность раскрыть эти тайны. Поскольку двойные нейтронные звезды вращаются по спирали в течение миллионов лет, они испускают гравитационные волны, но наиболее интенсивное излучение происходит в момент слияния и всего через миллисекунды после него.

Остаток после слияния — массивный, быстро вращающийся объект, образованный столкновением — испускает гравитационные волны в сильном, но узком диапазоне частот. Этот сигнал содержит важную информацию о так называемом «уравнении состояния» ядерной материи, которое описывает, как материя ведет себя при экстремальных плотностях и давлениях.

Группа профессора Лучано Реццоллы из Франкфуртского университета имени Гёте обнаружила, что, хотя амплитуда сигнала гравитационной волны после слияния со временем уменьшается, он становится все более «чистым» — стремясь к одной частоте, подобно гигантскому камертону, резонирующему после удара.

Они назвали эту фазу «длинным кольцевым падением» и выявили тесную связь между ее уникальными характеристиками и свойствами самых плотных областей в ядрах нейтронных звезд.

«Точно так же, как камертоны из разных материалов получат разные чистые тона, остатки, описываемые разными уравнениями состояния, будут звучать на разных частотах. Таким образом, обнаружение этого сигнала может раскрыть, из чего состоят нейтронные звезды», — говорит Реццолла.

«Я особенно горжусь этой работой, поскольку она представляет собой наглядное свидетельство выдающихся достижений ученых из Франкфурта и Дармштадта в изучении нейтронных звезд, которые были в центре внимания гессенского исследовательского кластера ELEMENTS».

Используя передовые общерелятивистские модели слияния нейтронных звезд с тщательно построенными уравнениями состояния, исследователи продемонстрировали, что анализ длительного кольцевого спада может значительно снизить неопределенности в уравнении состояния при очень высоких плотностях, где в настоящее время нет прямых ограничений.

«Благодаря достижениям в статистическом моделировании и высокоточным симуляциям на самых мощных суперкомпьютерах Германии мы обнаружили новую фазу длительного кольцевого слияния нейтронных звезд», — говорит доктор Кристиан Экер, первый автор исследования. «Она может предоставить новые и строгие ограничения на состояние вещества в нейтронных звездах. Это открытие прокладывает путь к лучшему пониманию плотного вещества нейтронных звезд, особенно с учетом того, что в будущем будут наблюдаться новые события».

Соавтор доктор Тайлер Горда добавляет: «Умело выбрав несколько уравнений состояния, мы смогли эффективно смоделировать результаты полного статистического ансамбля моделей материи со значительно меньшими усилиями. Это не только приводит к сокращению затрат компьютерного времени и энергии, но и дает нам уверенность в том, что наши результаты надежны и будут применимы к любому уравнению состояния, которое действительно встречается в природе».

Хотя современные детекторы гравитационных волн еще не зафиксировали сигнал после слияния, ученые с оптимизмом смотрят на то, что детекторы следующего поколения, такие как телескоп Эйнштейна, который, как ожидается, начнет работать в Европе в течение следующего десятилетия, сделают это долгожданное обнаружение возможным. Когда это произойдет, длинный рингдаун станет мощным инструментом для исследования загадочных недр нейтронных звезд и раскрытия секретов материи в ее самых экстремальных проявлениях.

Больше информации: Christian Ecker et al, Constraining the equation of state in neutron-star cores via the long-ringdown signal, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56500-x

Источник: Goethe University Frankfurt am Main