Гравитационные волны с эффектом памяти можно было бы обнаружить с помощью предложенной космической антенны лазерного интерферометра (LISA). Фото предоставлено журналом Physics Magazine и Американским физическим обществом.
Теория гравитации Эйнштейна, общая теория относительности, прошла все проверки и дала точные предсказания. Одним из оставшихся предсказаний является «гравитационно-волновая память» – предсказание о том, что проходящая гравитационная волна навсегда изменит расстояние между космическими объектами.
Сверхновые – коллапсирующие звезды, которые взрываются наружу – считаются источниками гравитационных волн, хотя ни одна из них еще не была окончательно обнаружена интерферометрами гравитационных волн на Земле. Из-за ограниченной чувствительности интерферометров ниже волновых частот 10 Герц эффект гравитационно-волновой памяти также не наблюдался при слияниях или сверхновых.
Но теперь новое исследование представляет подход к обнаружению этого эффекта с использованием существующих в настоящее время обсерваторий гравитационных волн. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
На данный момент все обнаруженные гравитационные волны возникают в результате слияния черных дыр, нейтронных звезд и нейтронных звезд или в результате слияния одной из них. Однако ожидается, что коллапсирующие сверхновые с массой более 10 масс Солнца также будут излучать гравитационные волны, хотя и с меньшей амплитудой волн и с другой сигнатурой в гравитационно-волновом интерферометре.
В таких сверхновых, называемых сверхновыми с коллапсом ядра (CCSN), ядро массивной звезды внезапно коллапсирует, когда энергия, генерируемая в результате термоядерного синтеза, больше не может противодействовать собственной гравитации звезды.
В результате взрыва возникает ударная волна. Некоторая часть внешней энергии будет в форме гравитационных волн из-за изменения квадрупольного момента звезды — с общей энергией около 1040 джоулей — если только материал звезды не будет выброшен изотропно. (В отличие от электромагнитных волн, гравитационные волны не имеют дипольного момента из-за сохранения импульса.)
Также излучается видимый свет и нейтрино, что открывает возможность обнаружения нескольких посланников, когда они прибудут на Землю.
Гравитационные волны CCSN были бы особенно полезны, поскольку электромагнитные сигналы сверхновой исходят от ее края, в то время как гравитационные волны генерируются глубоко внутри ее недр и, следовательно, содержат информацию, которая в противном случае была бы недоступна.
Однако гравитационные волны от CCSN имеют меньшую амплитуду, чем волны от слияний черных дыр и слияний черных дыр, а нагрузку на один-два порядка меньше (нагрузка обратно пропорциональна расстоянию источника от Земли). Их частоты обычно ниже, длительность короче, а сигнал более сложный и менее выраженный, чем при массивных слияниях двух тел.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Однако для более низкочастотных гравитационных волн CCSN, например, менее 10 герц, волны имеют компонент гравитационной «памяти» из-за анизотропного движения материи и асферического излучения нейтрино. Если нейтринный всплеск CCSN не изотропен, он производит дополнительное гравитационное излучение по сравнению с излучением коллапса.
Эти волны «всплески с памятью», возникающие из ранее испущенных волн, представляют собой другой класс гравитационного излучения, в котором гравитационное возмущение возрастает от нуля в каждой точке, колеблется в течение нескольких циклов, а затем, вместо того, чтобы вернуться к нулю, выравнивается выкл. Конечное значение не равно нулю.
Эффект памяти гравитационных волн так и не был обнаружен. Высокочастотные детекторы, такие как Advanced LIGO, в значительной степени нечувствительны к эффекту памяти, поскольку время отклика этих детекторов обычно намного короче, чем характерное время, необходимое для того, чтобы неколеблющаяся часть сигнала гравитационной волны достигла своего конечного значения.
Интерферометры большего размера, такие как предлагаемая космическая антенна лазерного интерферометра космического базирования (LISA), лучше, потому что они имеют лучшую чувствительность в нижних диапазонах частот, где типичные источники хранения более мощные. (Более низкая частота означает более высокую длину волны, поэтому для обнаружения требуются интерферометры большей длины.)
Колтер Дж. Ричардсон из Университета Теннесси вместе с коллегами по моделированию и анализу данных CCSN из США, Швеции и Польши изучил эффект памяти, используя три современных трехмерных моделирования невращающихся CCSN с направленными вверх массами. при массе 25 солнечных, ниже. Использование модели под названием ХИМЕРА.
Их наименьшая масса, составляющая 9,6 масс Солнца, характерна для CCSN меньшей массы; Все сигналы гравитационных волн их моделей показали «медленный рост до ненулевого значения деформации, характерного для памяти», написали они.
Сигналы гравитационных волн от взрывов CCSN были в основном случайными, но они обнаружили, что рост (амплитуды волн) и фазы памяти демонстрируют «высокую степень регулярности», которую можно хорошо аппроксимировать логистическими функциями, типичными для исследований роста населения.
Они обнаружили, что сигналы гравитационных волн от CCSN длились более секунды. (Напротив, первый сигнал гравитационной волны в 2015 году длился всего 0,2 секунды.) Они применили к сигналам фильтры для удаления шума, что уменьшило подъем пикового сигнала, но не отменило его.
После дальнейшей доработки они применили специальную фильтрацию к конечному сигналу, которая также используется в современных детекторах гравитационных волн, путем поиска большого количества ранее рассчитанных образцов сигналов, чтобы найти те, которые сильно коррелируют с уточненным сигналом детектора. Они обнаружили, что результаты их модели могут быть обнаружены для CCSN массой 25 солнечных на расстоянии 10 килопарсеков (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 коллапса ядра сверхновой», — сказал Ричардсон. «Мы надеемся, что это письмо не только предложит другую стратегию обнаружения, но и будет стимулировать новые исследования в низкочастотной области гравитационно-волновой астрономии».
Он отметил, что существует несколько возможностей для будущих исследований: «от применения нашей методологии к более распространенным событиям слияния до изучения того, как детекторы следующего поколения будут реагировать на память».
