Физики создали новую модель слияния нейтронных звезд. Она создана на основе наблюдения за гравитационными волнами и может объяснить, что находится внутри этих объектов.
Нейтронные звезды и загадка гравитационных волн
Нейтронные звезды являются одними из самых экстремальных сред во Вселенной: их плотность в несколько раз превышает плотность атомных ядер, а гравитационное поле является одним из самых сильных среди всех известных объектов, уступая только черным дырам.
Они были открыты в 1960-х годах, однако нейтронные звезды остаются загадкой, поскольку их внутренний состав до сих пор неизвестен. Ученые начинают рассматривать гравитационные волны, излучаемые двойными нейтронными звездами, вращающимися друг вокруг друга, как возможный источник информации об их внутреннем строении.
Физики из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Университета штата Монтана и Института фундаментальных исследований Тата в Индии сделали важный теоретический прорыв в понимании того, как спиральные двойные нейтронные звезды реагируют на приливные силы, что является ключевым шагом в выяснении строения нейтронных звезд. Команда доказала, что зависящие от времени приливные реакции таких объектов можно описать с точки зрения их колебательного поведения или режимов, распространяя аналогичный результат из ньютоновской гравитации на релятивистскую обстановку.
Нейтронные звезды: природная лаборатория для изучения экстремальных состояний материи
Как следует из названия, нейтронные звезды частично состоят из нейтронов, которые могут образовываться, когда протоны и электроны сжимаются до такого высокого давления, что они фактически «сливаются» вместе. Но нейтроны — это не все. Ведущие теории предполагают, что тяжелые элементы, свободные электроны и свободные протоны также являются важнейшими компонентами. Некоторые даже предполагают, что на большей глубине возникают квантовые сверхтекучие и сверхпроводящие фазы. Однако эти гипотезы трудно проверить, и большая часть внутреннего состава, особенно внутри ядра, все еще остается большим вопросом.
Но нейтронные звезды интересны не только сами по себе. Ученые считают, что они могут поведать нам об экстремальной физике в целом. Теоретики предполагают, что нейтронные звезды являются одним из примеров более общего вида вещества, известного как кварк-глюонная плазма, — чрезвычайно плотного, горячего состояния состоящего из кварков вещества, элементарных строительных блоков протонов и нейтронов. Такое вещество существует только в самых экстремальных условиях, таких как ранняя Вселенная в первые микросекунды после Большого взрыва.
Единственный способ изучить кварк-глюонную плазму на Земле — это столкновение высокоэнергетических частиц в коллайдерах, исследующих такую плазму при чрезвычайно высоких температурах. Однако при более низких температурах лабораторных методов не существует.
Профессор физики из Иллинойса Николас Юнес сказал: «Очень трудно изучать физику вещества при столь высоких плотностях и, относительно говоря, низких температурах. Но Вселенная предоставляет естественную лабораторию для изучения такого рода веществ через нейтронные звезды».
Очевидно, что поскольку нейтронные звезды нельзя изучать на Земле, физики должны делать выводы об их свойствах на основе астрофизических наблюдений, которые традиционно ограничивались электромагнитными наблюдениями. Однако с появлением гравитационно-волновой астрономии физики получили мощную альтернативу, которая может позволить им заглянуть в самое сердце нейтронной звезды.
«Отпечатки» в гравитационных волнах
Иногда нейтронные звезды образуют двойные системы, в которых два светила двигаются вокруг общего центра массы. Попав в орбиту друг друга, они начинают сближаться по спирали, теряя энергию на гравитационные волны – вибрации в пространстве-времени, распространяющиеся наружу со скоростью света. Во время спирального приближения каждая звезда тянет свою партнершу с помощью гравитации, создавая приливные силы, подобные тем, что создает Луна на Земле, прежде чем окончательно слиться в результате бурного столкновения.
Изображение пары нейтронных звезд при сближении. Каждая звезда оказывает приливные силы на свою соседку, деформирующую и возбуждающую частотные шаблоны внутри, оставляя отпечатки на излучаемых гравитационных волнах. Исследователи могут анализировать эти гравитационные волны, чтобы «услышать», что происходит внутри звезд.
Бывший аспирант физического факультета Иллинойского университета и нынешний постдокторант Принстонского университета Абхишек Хегаде поделился: «Когда они приближаются, приливные силы одной звезды начинают деформировать другую и наоборот. Степень деформации зависит от того, что находится внутри звезд».
Эти деформации возбуждают колебательные паттерны, называемые модами, внутри звезд — подобно тому, как удар молотка заставляет колокол колебаться. Эти моды оставляют свой отпечаток в излучаемых гравитационных волнах, которые могут быть зафиксированы чувствительными детекторами на Земле. «Прислушиваясь» к этим сигналам, ученые могут делать выводы о процессах, происходящих внутри звезд.
Правильное определение реакции на приточные силы
Чтобы расшифровать отпечатки режимов, ученые должны сначала понять, как нейтронные звезды реагируют на приливные силы, что является сложной задачей, поскольку эти силы, а следовательно, и реакция на них, динамичны и быстро изменяются в зависимости от времени, особенно на поздних стадиях сближения.
Для динамических приливных реакций нерелятивистских ньютоновских тел решениями гравитационных уравнений Ньютона являются моды, которые ведут себя как демпфированные пружины или, как говорят физики, демпфированные гармонические осцилляторы. Приливная реакция объекта может быть выражена полностью в терминах этих мод — и ничем больше — образуя так называемый полный набор.
Без полного набора мод можно пропустить часть приточной реакции во время моделирования, поскольку могут быть другие элементы, которые вы опускаете из математического описания реакции, необходимого для отображения всех физических процессов.
Ученые всего мира надеялись, что полный набор режимов для двойных нейтронных звезд в общей теории относительности Эйнштейна тоже существует. Но нейтронные звезды, вращающиеся друг вокруг друга, высокорелятивистские: они чрезвычайно плотные и могут приближаться к скорости, составляющей около 40% скорости света, прежде чем слиться, сильно искажая пространство-время вокруг себя. Эта сложная картина и сама сложность уравнений Эйнштейна препятствовали попыткам физиков определить, образуют ли режимы нейтронных звезд полный набор гармоничных осцилляторов.
Поиск модов
Чтобы преодолеть эти трудности, команда Юнеса разделила проблему на более простые части, сосредоточившись на одной звезде и рассматривая ее как источник приливов. Если они смогут применить граничные условия именно нужным способом, они могли бы найти полный набор мод. Начав с набора линиаризованных уравнений Эйнштейна — Эйлера, описывающих, как материя создает гравитационные поля и развивается в пространстве-времени, они разделили внутреннюю и внешнюю часть звезды на отдельные области: сильной гравитации и слабой гравитации.
Разложение системы таким образом и тщательное сшивание решений для зон с сильной и слабой гравитацией позволило исследователям накладывать соответствующие граничные условия поэтапно. Крайне важно, что включение зоны слабой гравитации успешно устранило излучение в анализе команды.
«Наша декомпозиция ближней зоны обеспечила учет приливного поля, — отметил Хегаде. — Ограничиваясь ближней зоной, мы приняли во внимание излучение, рассматривая его как небольшую поправку. Это позволило нам получить полный набор мод».
Исследователи также разработали метод определения приливного поля внутри звезды. Манипулируя уравнениями Эйнштейна — Эйлера соответствующим образом, они обнаружили, что они могут рассматривать внутреннее приливное поле как фактор колебаний. В частности, они установили, что пока приливное поле меняется без внезапных скачков или резких углов, уравнения порождают моды гармоничного осциллятора — так же, как в ньютоновской теории.
Реальные данные о внутреннем строении
Имея теперь в своем распоряжении полный набор гармоничных осцилляторных мод нейтронных звезд, исследователи достигли именно того, что планировали.
Во-первых, ученым удалось отделить излучение и показать, что моды нейтронной звезды действительно образуют полный набор. Во-вторых, они выяснили, что последовательное решение определенного набора уравнений с использованием достаточно «гладкого» приливного поля дает корректное решение для внутренней части звезды. Это означает, что в рамках общей теории относительности можно выполнять те же процедуры, что и в ньютоновской гравитации. Теперь исследователи с нетерпением ждут, какие открытия может принести их новая концепция.
Юнес сказал: «Одна из наших надежд заключается в том, что мы сможем получить определенную информацию об уравнении состояния нейтронной звезды по плотностям, которые преобладают в ее внутреннем ядре. Действительно ли там существуют кварковые ядра, как недавно предположили некоторые исследователи? Происходят ли внутри фазовые переходы, о которых мы пока не знаем?».
Необходимость более чувствительных детекторов гравитационных волн
Юнес отметил: «Соотношение сигнал/шум, полученное коллаборацией LIGO в их последних данных за 2017 год, недостаточно велико, чтобы мы могли видеть те особенности, которые зафиксировали в нашей модели. Кроме того, современные детекторы не так чувствительны к достаточно высоким частотам, где сосредоточено большинство информации о модах колебаний нейтронной звезды».
Многие надеются, что новые поколения детекторов, запуск которых ожидается в ближайшие несколько лет, вместе с обнаружением событий слияния поблизости, повысят соотношение сигнал/шум и чувствительность, необходимые для того, чтобы увидеть больше деталей в данных.
До тех пор физикам нужно еще много времени, чтобы подготовиться к ожидаемым детекторам. У команды Юнеса уже есть некоторые предложенные направления: их нынешняя модель распространяется только на неротационные звезды, поэтому они надеются расширить ее, чтобы включить также вращение, поскольку большинство нейтронных звезд вращается быстро. Они также планируют повторить свой анализ для нелинейных приливных сил и включить негравитационные поля, такие как магнитные. Что же касается их новой обобщенной модели, они преодолели самое сложное препятствие: решили самую трудную часть модели — гравитацию.
По материалам phys.org
