Фізики створили нову модель злиття нейтронних зір. Вона створена на основі спостереження за гравітаційними хвилями й може пояснити, що міститься всередині цих об’єктів.
Нейтронні зорі та загадка гравітаційних хвиль
Нейтронні зорі є одними з найекстремальніших середовищ у Всесвіті: їхня щільність у кілька разів перевищує щільність атомних ядер, а гравітаційне поле є одним із найсильніших серед усіх відомих об’єктів, поступаючись лише чорним дірам.
Їх відкрили у 1960-х роках, проте нейтронні зорі залишаються загадкою, оскільки їхній внутрішній склад досі невідомий. Науковці починають розглядати гравітаційні хвилі, що випромінюються подвійними нейтронними зорями, які обертаються одна навколо одної, як можливе джерело інформації про їхню внутрішню будову.
Фізики з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн разом із колегами з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, Університету штату Монтана та Інституту фундаментальних досліджень Тата в Індії зробили важливий теоретичний прорив у розумінні того, як спіральні подвійні нейтронні зорі реагують на припливні сили, що є ключовим кроком у з’ясуванні будови нейтронних зір. Команда довела, що залежні від часу припливні реакції таких об’єктів можна описати з точки зору їхньої коливальної поведінки або режимів, поширюючи аналогічний результат із ньютонівської гравітації на релятивістську обстановку.
Нейтронні зорі: природна лабораторія для вивчення екстремальних станів матерії
Як випливає з їхньої назви, нейтронні зорі частково складаються з нейтронів, які можуть утворюватися, коли протони та електрони стискаються до такого високого тиску, що вони фактично «зливаються» разом. Але нейтрони — це не все. Провідні теорії припускають, що важкі елементи, вільні електрони та вільні протони також є важливими компонентами. Дехто навіть припускає, що на більшій глибині виникають квантові надплинні та надпровідні фази. Однак ці гіпотези важко перевірити, і більша частина внутрішнього складу, особливо всередині ядра, досі залишається великим знаком запитання.
Але нейтронні зорі цікаві не тільки самі по собі. Науковці вважають, що вони можуть розповісти нам про екстремальну фізику в цілому. Теоретики припускають, що нейтронні зорі є одним із прикладів більш загального виду речовини, відомої як кварк-глюонна плазма, — надзвичайно щільного, гарячого стану речовини, що складається з кварків, елементарних будівельних блоків протонів і нейтронів. Така речовина існує лише в найекстремальніших умовах, таких як ранній Всесвіт у перші мікросекунди після Великого вибуху.
Єдиний спосіб вивчити кварк-глюонну плазму на Землі — це зіткнення високоенергетичних частинок у колайдерах, які досліджують таку плазму за надзвичайно високих температур. Однак за нижчих температур лабораторних методів її вивчення поки що не існує.
Професор фізики з Іллінойсу Ніколас Юнес сказав: «Дуже важко вивчати фізику речовини при таких високих щільностях і, відносно кажучи, низьких температурах. Але Всесвіт надає природну лабораторію для вивчення такого роду речовини через нейтронні зорі».
Очевидно, що оскільки нейтронні зорі не можна вивчати на Землі, фізики повинні робити висновки про їхні властивості на основі астрофізичних спостережень, які традиційно обмежувалися електромагнітними спостереженнями. Однак із появою гравітаційно-хвильової астрономії фізики отримали потужну альтернативу, яка може дозволити їм зазирнути в саме серце нейтронної зорі.
«Відбитки» в гравітаційних хвилях
Іноді нейтронні зорі утворюють подвійні системи, в яких два світила рухаються навколо спільного центру маси. Потрапивши в орбіту одна одної, вони починають зближуватися по спіралі, втрачаючи енергію на гравітаційні хвилі — вібрації у просторі-часі, що поширюються назовні зі швидкістю світла. Під час спірального наближення кожна зоря тягне свою партнерку за допомогою гравітації, створюючи припливні сили, подібні до тих, що створює Місяць на Землі, перш ніж остаточно злитися в результаті бурхливого зіткнення.
Зображення пари нейтронних зір під час зближення. Кожна зоря чинить припливні сили на свою сусідку, що деформує і збуджує частотні шаблони всередині, залишаючи відбитки на випромінюваних гравітаційних хвилях. Дослідники можуть аналізувати ці гравітаційні хвилі, щоб «почути», що відбувається всередині зір.
Колишній аспірант фізичного факультету Іллінойського університету і нинішній постдокторант Принстонського університету Абхішек Хегаде поділився: «Коли вони наближаються, припливні сили однієї зорі починають деформувати іншу і навпаки. Ступінь деформації залежить від того, що міститься всередині зір».
Ці деформації збуджують коливальні патерни, які називаються модами, всередині зір — подібно до того, як удар молотка змушує дзвін коливатися. Ці моди залишають свій відбиток у випромінюваних гравітаційних хвилях, які можуть бути зафіксовані чутливими детекторами на Землі. «Прислухаючись» до цих сигналів, науковці можуть робити висновки про процеси, що відбуваються всередині зір.
Правильне визначення реакції на припливні сили
Щоб розшифрувати відбитки режимів, вчені повинні спочатку зрозуміти, як нейтронні зорі реагують на припливні сили, що є складним завданням, оскільки ці сили — а отже, і реакція на них — є динамічними та швидко змінюються залежно від часу, особливо на пізніх стадіях зближення.
Для динамічних приливних реакцій нерелятивістських ньютонівських тіл рішеннями гравітаційних рівнянь Ньютона є моди, які поводяться як демпфовані пружини або, як кажуть фізики, демпфовані гармонічні осцилятори. Приливна реакція об’єкта може бути виражена повністю в термінах цих мод — і нічим більше — утворюючи так званий повний набір.
Без повного набору мод цілком можливо пропустити частину припливної реакції під час моделювання, оскільки можуть бути інші елементи, які ви опускаєте з математичного опису реакції, необхідного для відображення всіх фізичних процесів.
Науковці усього світу сподівалися, що повний набір режимів для подвійних нейтронних зір у загальній теорії відносності Ейнштейна також існує. Але нейтронні зорі, що обертаються одна навколо одної, є високорелятивістськими: вони надзвичайно щільні й можуть наближатися до швидкості, що становить близько 40 % швидкості світла, перш ніж злитися, сильно спотворюючи простір-час навколо себе. Ця складна картина і сама складність рівнянь Ейнштейна перешкоджали спробам фізиків визначити, чи утворюють режими нейтронних зір повний набір гармонійних осциляторів.
Пошук модів
Щоб подолати ці труднощі, команда Юнеса розділила проблему на простіші частини, зосередившись на одній зорі та розглядаючи її пару як джерело припливів. Якщо вони зможуть застосувати граничні умови саме у потрібний спосіб, вони могли б знайти повний набір мод. Почавши з набору лініаризованих рівнянь Ейнштейна — Ейлера, які описують, як матерія створює гравітаційні поля та розвивається у просторі-часі, вони розділили внутрішню та зовнішню частину зорі на окремі області: сильної гравітації та слабкої гравітації.
Розкладання системи таким чином і ретельне зшивання рішень для зон із сильною та слабкою гравітацією дозволило дослідникам накладати відповідні граничні умови поетапно. Вкрай важливо, що включення зони слабкої гравітації успішно усунуло випромінювання в аналізі команди.
«Наша декомпозиція ближньої зони забезпечила врахування приливного поля, — зауважив Хегаде. — Обмежуючись ближньою зоною, ми взяли до уваги випромінювання, розглядаючи його як невелике виправлення. Це дозволило нам отримати повний набір мод».
Дослідники також розробили метод визначення приливного поля всередині зорі. Маніпулюючи рівняннями Ейнштейна — Ейлера відповідним чином, вони виявили, що можуть розглядати внутрішнє приливне поле як чинник коливань. Зокрема, вони встановили, що поки приливне поле змінюється без раптових стрибків чи різких кутів, рівняння породжують моди гармонічного осцилятора — так само, як у ньютонівській теорії.
Реальні дані про внутрішню будову
Маючи тепер у своєму розпорядженні повний набір гармонійних осциляторних мод нейтронних зір, дослідники досягли саме того, що планували.
По-перше, науковцям вдалося відокремити випромінювання й показати, що моди нейтронної зорі справді утворюють повний набір. По-друге, вони з’ясували, що послідовне розв’язання певного набору рівнянь із використанням достатньо «гладкого» приливного поля дає коректний розв’язок для внутрішньої частини зорі. Це означає, що в межах загальної теорії відносності можна виконувати ті самі процедури, що й у ньютонівській гравітації. Тепер дослідники з нетерпінням чекають, які відкриття може принести їхня нова концепція.
Юнес сказав: «Одна з наших надій полягає в тому, що ми зможемо отримати певну інформацію про рівняння стану нейтронної зорі за щільностей, які панують у її внутрішньому ядрі. Чи справді там існують кваркові ядра, як нещодавно припустили деякі дослідники? Чи відбуваються всередині фазові переходи, про які ми поки що не знаємо?».
Необхідність більш чутливих детекторів гравітаційних хвиль
Юнес зазначив: «Співвідношення сигнал/шум, отримані колаборацією LIGO в їхніх найновіших даних за 2017 рік, недостатньо великі, щоб ми могли бачити ті особливості, які зафіксували у нашій моделі. Крім того, сучасні детектори не такі чутливі до достатньо високих частот, де зосереджено більшість інформації про моди коливань нейтронної зорі».
Багато хто сподівається, що нові покоління детекторів, запуск яких очікується в найближчі кілька років, разом із виявленням подій злиття поблизу, підвищать співвідношення сигнал/шум і чутливість, необхідні для того, щоб побачити більше деталей у даних.
Доти фізикам потрібно ще багато часу, щоб підготуватися до очікуваних детекторів. У команди Юнеса вже є деякі запропоновані напрямки: їхня нинішня модель поширюється лише на неротаційні зорі, тому вони сподіваються розширити її, щоб включити також обертання, оскільки більшість нейтронних зір обертається швидко. Вони також планують повторити свій аналіз для нелінійних приливних сил і включити негравітаційні поля, такі як магнітні. Що ж стосується їхньої нової узагальненої моделі, вони подолали найскладнішу перешкоду: розв’язали найважчу частину моделі — гравітацію.
За матеріалами phys.org
