Астрофизическое моделирование предсказывает новый обнаруживаемый источник гравитационных волн от коллапсирующих звезд

Смерть массивной, быстро вращающейся звезды может потрясти Вселенную. И возникающие при этом пульсации — известные как гравитационные волны — могут ощущаться приборами на Земле, говорится в новом исследовании , опубликованном 22 августа в журнале The Astrophysical Journal Letters. Эти новые источники гравитационных волн только ожидают своего открытия, предсказывают ученые.

Гравитационные волны возникают после насильственной смерти быстро вращающихся звезд, масса которых в 15-20 раз превышает массу Солнца. Когда у этих звезд заканчивается топливо, они сжимаются, а затем взрываются в результате события, известного как коллапсар. После этого остается черная дыра, окруженная большим диском оставшегося материала, который быстро закручивается в пасть черной дыры. Спиральное вращение материала — которое длится всего несколько минут — настолько сильно, что искажает пространство вокруг, создавая гравитационные волны, распространяющиеся по всей Вселенной.

Используя передовое моделирование, ученые определили, что эти гравитационные волны могут быть обнаружены с помощью приборов, подобных Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), которая в 2015 году впервые провела прямые наблюдения гравитационных волн от сливающихся черных дыр. Если волны, вызванные коллапсарами, будут обнаружены, это поможет ученым понять загадочную внутреннюю работу коллапсаров и черных дыр.

«В настоящее время единственные обнаруженные нами источники гравитационных волн возникают при слиянии двух компактных объектов — нейтронных звезд или черных дыр», — говорит руководитель исследования Оре Готлиб, научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Flatiron в Нью-Йорке.

«Один из самых интересных вопросов в этой области: какие потенциальные источники, не являющиеся слияниями, могут порождать гравитационные волны, которые мы можем обнаружить с помощью современных средств? Один из многообещающих ответов — коллапсары».

Готлиб вместе с приглашенным ученым CCA, профессором Колумбийского университета Юрием Левиным и профессором Тель-Авивского университета Амиром Левинсоном смоделировали условия, включая магнитные поля и скорость охлаждения, которые возникают в результате коллапса массивной вращающейся звезды. Моделирование показало, что коллапсары могут создавать гравитационные волны, достаточно мощные, чтобы быть видимыми на расстоянии около 50 миллионов световых лет. Это расстояние составляет менее одной десятой расстояния, на котором можно обнаружить более мощные гравитационные волны от слияния черных дыр или нейтронных звезд, хотя они все равно сильнее, чем любое другое событие, не связанное со слиянием, которое еще не было смоделировано.

По словам Готлиба, новые результаты стали неожиданностью. Ученые полагали, что хаотический коллапс приведет к появлению беспорядочных волн, которые будет трудно различить среди фонового шума Вселенной. Представьте себе разогревающийся оркестр. Когда каждый музыкант играет свои собственные ноты, бывает трудно различить мелодию, исходящую от одной флейты или тубы.

С другой стороны, гравитационные волны от слияния двух объектов создают четкие, сильные сигналы, как будто оркестр играет вместе. Это происходит потому, что когда два компактных объекта собираются слиться, они танцуют на плотной орбите, которая создает гравитационные волны при каждом повороте. Этот ритм почти идентичных волн усиливает сигнал до уровня, который можно обнаружить.

Новое моделирование показало, что вращающиеся диски вокруг коллапсаров также могут излучать гравитационные волны, которые усиливаются вместе, подобно орбитальным компактным объектам в слияниях.

«Я думал, что сигнал будет гораздо более беспорядочным, потому что диск — это непрерывное распределение газа с веществом, вращающимся по разным орбитам», — говорит Готлиб. «Мы обнаружили, что гравитационные волны от этих дисков излучаются когерентно, и к тому же они довольно сильные».

Предсказанный сигнал от коллапсарных дисков не только достаточно силен, чтобы быть обнаруженным LIGO, но расчеты Готлиба показывают, что несколько событий уже могут присутствовать в существующих наборах данных. Предлагаемые детекторы гравитационных волн, такие как Cosmic Explorer и Einstein Telescope, могут обнаруживать десятки событий в год.

Гравитационно-волновое сообщество уже заинтересовано в поиске таких событий, но это непростая задача. В новой работе были рассчитаны сигнатуры гравитационных волн для скромного числа потенциальных коллапсарных событий. Звезды, однако, имеют широкий диапазон масс и профилей вращения, что может привести к различиям в рассчитанных гравитационно-волновых сигналах.

«В принципе, в идеале мы должны были бы смоделировать 1 миллион коллапсаров, чтобы иметь возможность создать общий шаблон, но, к сожалению, это очень дорогое моделирование», — говорит Готлиб. «Поэтому пока нам приходится выбирать другие стратегии».

Ученые могут изучить исторические данные, чтобы узнать, есть ли события, похожие на то, что смоделировал Готлиб. Однако, учитывая разнообразие звезд, каждая из которых обладает потенциально уникальным сигналом, найти совпадение с одним из смоделированных сигналов, вероятно, маловероятно.

Другая стратегия заключается в том, чтобы использовать другие сигналы от близких коллапсаров — например, от сверхновых или гамма-всплесков, которые испускаются во время коллапса звезды, — а затем поискать в архивах данных, не были ли обнаружены гравитационные волны в этой области неба примерно в то же время.

Обнаружение гравитационных волн, генерируемых коллапсаром, поможет ученым лучше понять внутреннюю структуру звезды во время коллапса, а также позволит им узнать о свойствах черных дыр — две темы, которые остаются малоизученными.

«Это те вещи, которые мы не сможем обнаружить иным способом», — говорит Готлиб. «Единственный способ изучить эти внутренние звездные области вокруг черной дыры — гравитационные волны».