Влияние магнитных полей на звёзды при слиянии
Плотность массы покоя (верхние панели) и угловая скорость (нижние панели) на экваториальной плоскости для ненамагниченного (левый столбец) и намагниченного (правый столбец) аналога, 10 мс после слияния. Белые и черные линии обозначают контуры плотности. Два основных различия между намагниченным и ненамагниченным случаями заключаются в следующем: 1) в данный момент времени намагниченный остаток более осесимметричный (более круговые экваториальные контуры), чем ненамагниченный, и 2) угловая скорость в ядре остатка выше и более однородна в намагниченном случае, чем в ненамагниченном. Автор: Tsokaros et al.
Слияния нейтронных звезд — это столкновения нейтронных звезд, коллапсирующих ядер некогда массивных сверхгигантов. Известно, что эти слияния генерируют гравитационные волны, несущие энергию волны, распространяющиеся через гравитационное поле, которые возникают из-за ускорения или возмущения массивного тела.
Столкновения нейтронных звезд были темой многих исследований теоретической физики, поскольку более глубокое понимание этих событий может дать интересные идеи о том, как материя ведет себя при экстремальных плотностях. Поведение материи при экстремально высоких плотностях в настоящее время описывается теоретической структурой, известной как уравнение состояния (EoS).
Недавние исследования астрофизики изучили возможность того, что особенности EoS, такие как фазовые переходы или кроссовер кварк-адронов, могут быть выведены из спектра гравитационных волн, наблюдаемого после слияния нейронных звезд. Однако большинство этих теоретических работ не рассматривали влияние магнитных полей на этот спектр.
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и Университета Валенсии недавно провели серию симуляций, направленных на лучшее понимание влияния магнитных полей на частоты колебаний нейтронных звезд после слияния. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, показывает, что магнитные поля сами по себе также могут приводить к сдвигам частот, поэтому интерпретация наблюдений за слиянием нейтронных звезд может оказаться более сложной, чем предполагалось ранее.
«Обсерватории гравитационных волн следующего поколения, такие как Cosmic Explorer, смогут обнаружить фактическое слияние двух нейтронных звезд, когда они образуют единый вращающийся компактный объект, а также различные частоты колебаний, связанных с процессом слияния», — рассказал Phys.org Антониос Цокарос, ведущий автор статьи.
«Эти частоты кодируют многие характеристики нейтронных звезд. Поэтому их правильная идентификация позволит нам понять многие из пока неизвестных свойств этих необычных объектов».
Нейтронные звезды обладают двумя основными характеристиками, которые еще предстоит полностью понять и которые делают их увлекательными физическими лабораториями. Во-первых, они обладают уникальными термодинамическими свойствами, такими как те, что описаны EoS, в своем ядре. Благодаря этим свойствам, всего лишь ложка материала нейтронной звезды весит столько же, сколько гора Эверест.
Магни́тное по́ле — поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля.
Магнитное поле может создаваться электрическим током или, в случае постоянных магнитов, магнитными моментами электронов в атомах (и моментами других частиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени).
Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.
Основной количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции
B
{\displaystyle \mathbf {B} }
(вектор индукции магнитного поля). Википедия
Нижний график показывает сдвиг частоты как функцию величины магнитного поля для основной моды колебаний по отношению к ненамагниченному случаю. Такой сдвиг частоты в остатке слияния может быть вызван рядом причин: 1) Существование фазового перехода или, в более общем смысле, наличие аномальной, невыпуклой динамики. 2) Существование уравнения состояния кроссовера кварк-адрона. 3) Эффекты конечной температуры. 4) Жесткость уравнения состояния. 5) Эффекты неравновесности, такие как объемная вязкость. 6) Магнитное поле. 7) Спин предыдущих нейтронных звезд. Помимо пунктов 6, 7 в списке выше, все остальное связано с пока неизвестным уравнением состояния, либо в его холодном, либо в его горячем секторе. Величина предсказанных сдвигов варьируется по каждой из причин выше, но перекрытие значительное. Это означает, что любой из сдвигов, предсказанных пунктами 1–5, может быть замаскирован магнитным полем (или даже предыдущим вращением нейтронной звезды), и поэтому любая интерпретация данных наблюдений должна проводиться с осторожностью. Автор: Tsokaros et al.
«Наша работа пытается систематически понять влияние магнитного поля на частоты колебаний нейтронной звезды после слияния и сообщить о различных конкурирующих эффектах», — сказал Цокарос. «Предыдущие работы других исследователей были чрезмерно оптимистичны в попытках определить термодинамические свойства внутри нейтронных звезд, полностью игнорируя эффекты, которые исходят от ее магнитного поля. С другой стороны, мы явно показываем, что это упущение может вводить в заблуждение, и что магнитное поле должно быть включено для правильной интерпретации наблюдений».
Уравне́ние состоя́ния — соотношение, отражающее для конкретного класса термодинамических систем связь между характеризующими её макроскопическими физическими величинами, такими как температура, давление, объём, химический потенциал, энтропия, внутренняя энергия, энтальпия и др. Уравнения состояния необходимы для получения с помощью математического аппарата термодинамики конкретных результатов, касающихся рассматриваемой системы. Эти уравнения не содержатся в постулатах термодинамики, так что для каждого выбранного для изучения макроскопического объекта их либо определяют эмпирически, либо для модели изучаемой системы находят методами статистической физики. В рамках термодинамики уравнения состояния считают заданными при определении системы. Википедия
«Магнитное поле усиливается до больших значений во время слияния», — объяснил Джейми Бамбер, постдок, работающий с профессорами Цокаросом и Шапиро. «Наши моделирования показали, что сильное магнитное поле заставляет остаток слияния колебаться и производить гравитационные волны на более высокой частоте. Это увеличение частоты может маскировать сдвиги частоты из другого источника, например, изменения в EoS, что делает интерпретацию возможных наблюдений более сложной, чем считалось ранее».
Профессор Милтон Руис добавил: «Чтобы сделать точную оценку фазы после слияния в двойных нейтронных звездах, необходимо включить эффекты магнитного поля. Невыполнение этого требования может привести к ошибочным выводам о физических свойствах системы».
В целом, это недавнее исследование предполагает, что эффекты магнитных полей могут усложнить интерпретацию данных гравитационных волн, полученных в результате слияний нейтронных звезд. В своих будущих исследованиях Цокарос и его коллеги планируют подтвердить свои недавние результаты, выполнив дальнейшее моделирование с еще более высоким разрешением, которое ранее было вычислительно невыполнимым.
«Одновременное обнаружение в 2017 году гравитационных волн телескопом LIGO и гамма-всплеска спутниками NASA из одного и того же космического источника стало первым случаем обнаружения слияния двойной нейтронной звезды», — сказал профессор Стюарт Л. Шапиро.
«Это стало прорывом в многоканальной астрономии и положило начало моделированию в релятивистской магнитогидродинамике, подобному тому, которое мы проводим в Университете Иллинойса. Однако многие характерные особенности этих симуляций будут выявлены только следующим поколением детекторов гравитационных волн, таких как телескоп Эйнштейна и Cosmic Explorer, которые будут обнаруживать высокие частоты, связанные со слиянием и последующим слиянием двойных нейтронных звезд».
Больше информации: Antonios Tsokaros et al, Masking the Equation-of-State Effects in Binary Neutron Star Mergers, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.121401. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2411.00939
0 комментариев