После смерти массивной вращающейся звезды вокруг центральной черной дыры формируется диск материи. По мере того как материя остывает и падает в черную дыру, появляются новые исследования, которые предполагают появление обнаруживаемых гравитационных волн. Фото предоставлено: Оре Готлиб
Смерть массивной, быстро вращающейся звезды может потрясти Вселенную. И возникающие в результате волны, известные как гравитационные волны, могут быть обнаружены приборами на Земле, согласно новому исследованию, опубликованному 22 августа в The Astrophysical Journal Letters. Эти новые источники гравитационных волн только и ждут своего открытия, предсказывают ученые, проводящие исследование.
Гравитационные волны возникают после насильственной смерти быстро вращающихся звезд, масса которых в 15–20 раз превышает массу Солнца. Когда у них заканчивается топливо, эти звезды взрываются и в конечном итоге взрываются в результате события, называемого коллапсар. То, что осталось, — это черная дыра, окруженная большим диском остатков материала, который быстро закручивается в пасть черной дыры. Спиральное движение материала, которое длится всего несколько минут, настолько велико, что искажает пространство вокруг себя и создает гравитационные волны, распространяющиеся через Вселенную.
Используя современное моделирование, ученые обнаружили, 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, создаваемые коллапсарами, будут обнаружены, они смогут помочь ученым понять загадочную внутреннюю работу 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 Готлиб, научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики (CCA) в Институте Флэтайрон в Нью-Йорк.
«Один из самых интересных вопросов в этой области: каковы потенциальные источники неядерного термоядерного синтеза, которые могли бы генерировать гравитационные волны, которые мы можем обнаружить с помощью нынешних установок? Многообещающим ответом сейчас являются коллапсары».
Готлиб вместе с приглашенным ученым CCA и профессором Колумбийского университета Юрием Левиным и профессором из Тель-Авива Амиром Левинсоном смоделировали условия, включая магнитные поля и скорость охлаждения, которые преобладают после коллапса массивной вращающейся звезды. Моделирование показало, что коллапсары могут создавать гравитационные волны, достаточно сильные, чтобы их можно было увидеть на расстоянии примерно 50 миллионов световых лет. Это расстояние составляет менее одной десятой диапазона обнаружения более сильных гравитационных волн от слияний черных дыр или нейтронных звезд, но оно все же сильнее, чем любое событие, не связанное с слиянием, смоделированное на сегодняшний день.
Новые результаты удивительны, говорит Готлиб. Ученые думали, что хаотический коллапс создаст путаницу волн, которую будет трудно обнаружить на фоновом шуме Вселенной. Представьте себе разогревающийся оркестр. Когда каждый музыкант играет свои ноты, бывает сложно различить мелодию отдельной флейты или тубы.
С другой стороны, гравитационные волны от слияния двух объектов производят четкие и сильные сигналы, словно слаженно играющий оркестр. Это потому, что когда два компактных объекта собираются слиться, они танцуют на узкой орбите, которая при каждом вращении создает гравитационные волны. Этот ритм почти идентичных волн усиливает сигнал до заметного уровня.
Новое моделирование показало, что вращающиеся диски вокруг коллапсаров также могут излучать гравитационные волны, которые усиливаются вместе, подобно вращающимся вокруг компактных объектов во время слияний.
«Я думал, что сигнал будет гораздо более хаотичным, потому что диск представляет собой непрерывное распределение газа, материал которого вращается на разных орбитах», — говорит Готлиб. «Мы обнаружили, что гравитационные волны от этих дисков излучаются когерентно и к тому же довольно сильны».
Мало того, что предсказанный сигнал от коллапсных дисков достаточно силен, чтобы его мог обнаружить LIGO, расчеты Готлиба также предполагают, что некоторые события уже могут быть включены в существующие наборы данных. Планируемые детекторы гравитационных волн, такие как Cosmic Explorer и Телескоп Эйнштейна, могли бы обнаруживать десятки из них в год.
Сообщество гравитационных волн уже заинтересовано в поиске этих событий, но это непростая задача. В новой работе были рассчитаны сигнатуры гравитационных волн для управляемого количества потенциальных событий коллапсара. Однако звезды охватывают широкий диапазон профилей масс и вращения, что может привести к различиям в расчетных сигналах гравитационных волн.
«В принципе, в идеале мы бы смоделировали миллион коллапсаров, чтобы создать общий шаблон, но, к сожалению, это очень дорогостоящее моделирование», — говорит Готлиб. «Вот почему нам на данный момент придется принять решение о других стратегиях».
Ученые могут изучить исторические данные, чтобы увидеть, есть ли события, подобные тем, которые смоделировал Готлиб. Однако, учитывая разнообразие звезд, каждая из которых имеет потенциально уникальный сигнал, маловероятно, что будет найдено совпадение с каким-либо из смоделированных сигналов.
Другая стратегия заключается в использовании других сигналов от близлежащих событий коллапсара, таких как сверхновые или гамма-всплески, испускаемые при коллапсе звезды, а затем поиск в архивах данных, чтобы увидеть, появились ли гравитационные волны в этой области неба примерно в то же время. были зарегистрированы.
Обнаружив гравитационные волны, создаваемые коллапсарами, ученые смогут лучше понять внутреннюю структуру звезды в процессе ее коллапса и узнать больше о свойствах черных дыр — две темы, которые до сих пор остаются очень плохо изученными.
«Это вещи, которые мы не можем открыть иначе», — говорит Готлиб. «Единственный способ изучить эти внутренние звездные области вокруг черной дыры — это гравитационные волны».
Информация от: Фондом Саймонса
