П'ять фактів, які ми пізнаємо, якщо LIGO виявить злиття нейтронних зірок

Мартін Рис одного разу сказав: «Стає ясно, що в деякому сенсі космос надає єдину лабораторію, в якій успішно створюються екстремальні умови для перевірки нових ідей з фізики частинок. Енергії Великого Вибуху були набагато вище, ніж ми можемо досягти на Землі. Тому в пошуку доказів Великого Вибуху і вивчаючи речі на зразок нейтронних зірок, ми фактично вивчаємо фундаментальну фізику».

Якщо і є одна суттєва різниця між загальною теорією відносності й ньютонівської гравітацією, то вона полягає в наступному: в теорії Ейнштейна ніщо не вічно. Навіть якщо б у вас були дві абсолютно стабільні маси на орбіті один одного – маси, які ніколи не згорали б, не втрачали матеріал і не мінялися – їх орбіти поступово розпадалися. І якщо в ньютонівської гравітації дві маси будуть обертатися навколо загального центру тяжкості вічно, ОТО говорить нам, що невелика кількість енергії втрачається з кожним моментом, коли маса прискорюється гравітаційним полем, через яке проходить. Ця енергія не зникає, а несеться у формі гравітаційних хвиль. Протягом досить тривалих періодів часу буде излучено достатньо енергії, щоб дві повращающиеся маси торкнулися один одного і злилися. Вже тричі LIGO спостерігала це на прикладі чорних дір. Але, можливо, настав час зробити наступний крок і побачити перше злиття нейтронних зірок, вважає Етан Сігел з Medium.com.

Будь маси, що потрапили в цей гравітаційний танець, будуть випромінювати гравітаційні хвилі, в результаті чого орбіта буде порушуватися. Причин, за якими LIGO виявила чорні діри, три:

1. Вони неймовірно масивні
2. Вони самі компактні об'єкти у Всесвіті
3. В останній момент злиття вони оберталися на потрібній частоті, щоб їх могли зафіксувати лазерні рукава LIGO

Все це разом – великі маси, короткі відстані і правильний частотний діапазон – дають команді LIGO величезну область пошуку, в якій вони можуть намацати злиття чорних дір. Брижі від цих масивних танців простягається на багато мільярдів світлових років і досягає навіть Землі.

Хоча чорні діри повинні мати диск аккреції, електромагнітні сигнали, які повинні чорні діри виробляти, залишаються невловимими. Якщо електромагнітна частина явища присутня, вона повинна вироблятися нейтронними зірками.

У Всесвіті є багато інших цікавих об'єктів, які виробляють гравітаційні хвилі великої величини. Надмасивні чорні діри в центрах галактик поїдають газові хмари, планети, астероїди і навіть інші зірки і чорні діри постійно. На жаль, оскільки їх горизонти подій такі величезні, по орбіті вони рухаються дуже повільно і видають невірний діапазон частот, щоб LIGO могла їх зафіксувати. Білі карлики, подвійні зірки і інші планетарні системи мають ту ж проблему: ці об'єкти фізично занадто великі і тому по орбіті рухаються занадто довго. Настільки довго, що нам знадобилася б космічна обсерваторія гравітаційних хвиль, щоб їх побачити. Але є інша надія, яка має потрібну комбінацію характеристик (маса, компактність, потрібна частота), щоб бути побаченою LIGO: зливаються нейтронні зірки.

По мірі того, як дві нейтронні зірки обертаються навколо один одного, загальна теорія відносності Ейнштейна пророкує орбітальний розпад і гравітаційне випромінювання. В останні етапи злиття – якого ще ніколи не спостерігали в гравітаційних хвилях – амплітуда буде на піку LIGO зможе засікти подія

Нейтронні зірки не настільки масивні, як чорні діри, але вони, ймовірно, можуть бути в два-три рази масивніше Сонця: близько 10-20% маси раніше виявлених подій LIGO. Вони майже такі ж компактні, як чорні діри, з фізичним розміром всього в десять кілометрів радіусу. Незважаючи на те, що чорні діри колапсують до сингулярності, у них залишається горизонт подій, а фізичний розмір нейтронної зірки (в основному це просто гігантське атомне ядро) ненабагато перевищує горизонт подій чорної діри. Їх частота, особливо в останні кілька секунд злиття, відмінно підходить для чутливості LIGO. Якщо подія відбувається в потрібному місці, ми зможемо дізнатися п'ять неймовірних фактів.

Під час спірального закручування і злиття двох нейтронних зірок повинно виділятися колосальна кількість енергії, а також важкі елементи, гравітаційні хвилі і електромагнітний сигнал, як показано на зображенні

Дійсно нейтронні зірки створюють гамма-променеві сплески?

Існує цікава думка: що короткі гамма-променеві сплески, які неймовірно енергійні, але тривають менше двох секунд, викликаються злиттям нейтронних зірок. Вони випливають із старих галактик в регіонах, в яких не народжується нових зірок, а значить лише зоряні трупи можуть їх пояснити. Але поки ми не дізнаємося, як з'являється короткого гамма-променевого сплеску, ми не можемо бути впевнені в тому, що є їх причиною. Якщо LIGO зможе зареєструвати злиття нейтронних зірок з гравітаційним хвилях, а ми зможемо побачити короткий гамма-променевої сплеск відразу після цього, це стане остаточним підтвердженням однієї з найцікавіших ідей астрофізики.

зливаються Дві нейтронні зірки, як показано тут, дійсно закручуються і випускають гравітаційні хвилі, але їх складніше виявити, ніж чорні діри. Однак, на відміну від чорних дірок, вони повинні викидати частину своєї маси назад у Всесвіт, де тамвнесе свій внесок у вигляді важких елементів

Коли нейтронні зірки стикаються, яка частина їх маси не стає чорною дірою?

Якщо поглянути на важкі елементи періодичної таблиці і задатися питанням, як вони з'явилися, на розум приходить «наднова». Врешті-решт, в цій історії дотримуються астрономи і вона почасти вірна. Але більшість важких елементів періодичної таблиці — ртуть, золото, вольфрам, свинець і т. д. — фактично народжені в зіткнення нейтронних зірок. Велика частина маси нейтронних зірок, близько 90-95%, йде на створення чорної діри в центрі, але залишилися зовнішні шари викидаються, формуючи більшість цих елементів в нашій галактиці. Варто відзначити, що якщо сукупна маса двох зливаються нейтронних зірок буде нижче певного порогу, вони сформують нейтронну зірку, а не чорну діру. Це рідко, але не неможливо. І скільки точно викидається маси в ході такої події, ми не знаємо. Якщо ж LIGO зареєструє таку подію, дізнаємося.

Тут проілюстрований діапазон Advanced LIGO та її здатності реєструвати злиття чорних дір. Зливаються нейтронні зірки можуть потрапляти лише в одну десяту діапазону і мати 0,1% звичайного обсягу, але якщо нейтронних зірок багато, LIGO знайде

Наскільки далеко LIGO може бачити злиття нейтронних зірок?

Це питання присвячений не самої Всесвіту, а швидше тому, наскільки велика чутливість конструкції LIGO. У випадку зі світлом, якщо об'єкт в 10 разів далі, він буде в 100 разів тьмяніше; але з гравітаційними хвилями, якщо об'єкт буде в 10 разів далі, гравітаційно-хвильовий сигнал буде все в 10 разів слабкіше. LIGO може спостерігати чорні діри за багато мільйонів світлових років, але нейтронні зірки будуть видимі тільки в тому випадку, якщо будуть зливатися в найближчих галактичних скупчень. Якщо ми побачимо таке злиття, ми зможемо перевірити, наскільки добре у нас обладнання, або наскільки хорошим воно повинно бути.

Коли зливаються дві нейтронних зірок, як показано тут, вони повинні створювати гамма-променеві джети, а також інші електромагнітні явища, які в разі близькості Землі будуть помітні нашими кращими обсерваторіями

Яке післясвічення залишається після злиття нейтронних зірок?

Ми знаємо, в деяких випадках, що сильні події, відповідні зіткнення нейтронних зірок, вже відбувалися і що вони залишають сигнатури в інших електромагнітних смугах. Крім гамма-променів можуть бути ультрафіолетові, оптичні, інфрачервоні або радіокомпоненти. Або це може бути мультиспектральний компонент, що виявляється у всіх п'яти смугах, в цьому порядку. Коли LIGO виявить злиття нейтронних зірок, ми могли б запам'ятати одне з найбільш вражаючих явищ природи.

Нейтронна зірка, хоч і складається з нейтральних частинок, що виробляє самі сильні магнітні поля у Всесвіті. Коли нейтронні зірки зливаються, вони повинні виробляти як гравітаційні хвилі, так і електромагнітні сигнатури

Ми зможемо вперше поєднати гравітаційно-хвильову астрономую з традиційною

Попередні події, зафіксовані LIGO, були вражаючими, але ми не мали можливості спостерігати ці злиття через телескоп. Ми неминуче стикалися з двома факторами:

• Позиції подій не можна точно визначити, маючи лише два детектора, в принципі
• Злиття чорних дір не мають яскравої електромагнітної (світловий) компоненти

Тепер, коли VIRGO працює в синхронізації з двома детекторами LIGO, ми можемо значно покращити розуміння того, де саме в космосі народжуються ці гравітаційні хвилі. Але що більш важливо, оскільки злиття нейтронних зірок повинно мати електромагнітний компонент, це може означати, що вперше гравітаційно-хвильова астрономія і традиційна астрономія будуть використані для спостереження за одним і тим же подією у Всесвіті!

Спіральне закручування і злиття двох нейтронних зірок, як показано тут, не повинно призводити до появи специфічного сигналу гравітаційної хвилі. Також момент злиття повинен створювати електромагнітне випромінювання, унікальне і идентифицируемое саме по собі

Ми вже вступили в нову епоху астрономії, де використовуємо не тільки телескопи, але і інтерферометри. Ми використовуємо не тільки світло, але і гравітаційні хвилі, щоб бачити і розуміти Всесвіт. Якщо злиття нейтронних зірок здасться в LIGO, навіть якщо воно буде рідким, а швидкість виявлення низькою, ми перетнемо наступну кордон. Гравітаційне небо і небо світла більше не будуть чужими один одному. Ми будемо на крок ближче до розуміння того, як влаштовано самі екстремальні об'єкти у Всесвіті, і у нас буде вікно в наш космос, якого раніше не було ніколи і ні в кого.