Вчені придумали новий спосіб виявлення невловимого “гулу” від нейтронних зірок

Астрофізики встановила цікаві обмеження на властивості нейтронних зірок, які можуть допомогти виявити досі невловимі безперервні гравітаційні хвилі.

Про це розповідає видання Американської асоціації сприяння розвитку науки “EurekAlert!”

Через п’ять років з моменту першого виявлення гравітаційних хвиль, міжнародна група вчених, в тому числі з “Центру передових технологій ARC з відкриття гравітаційних хвиль” (OzGrav), продовжує полювати на нові відкриття та уявлення про Всесвіт. Використовуючи надчутливі детектори розміром в кілометр LIGO, розташовані в США, та детектор Virgo в Європі, команда стала свідком вибухових зіткнень чорних дір та нейтронних зірок. Однак останні дослідження шукали дещо зовсім інше: невловимий сигнал від одиночної нейтронної зірки, що швидко обертається.

Візьміть зірку, схожу за розмірами на Сонце, стисніть її до розміру кулі у приблизно 20 кілометрів поперек, і ви отримаєте нейтронну зірку: найщільніший об'єкт у відомому Всесвіті. Тепер змусьте свою нейтронну зірку обертатися зі швидкістю сотні разів на секунду, і уважно слухайте. Якщо ваша нейтронна зірка не ідеально сферична, вона буде трохи хитатися, і ви почуєте слабкий звук "гудіння". Вчені називають це безперервною гравітаційною хвилею.

До цих пір нейтронні зірки з гулом невловимі. Дослідник-постдокторант OzGrav Карл Ветт з Австралійського національного університету пояснює: "Уявіть, що ви перебуваєте в австралійському буші і слухаєте дику природу. Гравітаційні хвилі від зіткнень чорних дір та нейтронних зірок, які ми спостерігали досі, схожі на клекотання какаду — голосні і бурхливі, їх досить легко помітити! Однак, безперервна гравітаційна хвиля схожа на слабке, постійне гудіння далекої бджоли, яке виявити набагато складніше. Тому, нам потрібно використати кілька різних стратегій. Іноді ми націлюємося на певний напрямок — наприклад, квітучий кущ, де, швидше за все, збираються бджоли. В інших випадках ми закриваємо очі і пильно слухаємо всі звуки, які ми можемо почути, і намагаємося виділити будь-які фонові гудіння. Поки що нам не пощастило, але ми намагатимося далі! Як тільки почуємо безперервну гравітаційну хвилю, ми зможемо заглянути глибоко в серце нейтронної зірки і розгадати її таємниці, що є захопливою перспективою".

Нещодавнє спільне дослідження з OzGrav дозволило більш пильно поглянути на залишки зірок, що вибухнули, які називаються надновими. Аспірант OzGrav Люсі Стренг з Університету Мельбурна пояснює: "Наш пошук націлений на п’ятнадцять молодих залишків наднових, що містять молоді нейтронні зірки. Ми використовуємо три різні напрямки: один оптимізований для чутливості, другий, який може обробляти швидко змінливий сигнал, і ще один, оптимізований для одного ймовірного астрофізичного сценарію. Це перше дослідження LIGO, яке охоплює всі три сценарії, максимально збільшуючи наш шанс на виявлення безперервних хвиль. Безперервні гравітаційні хвилі дуже важко виявити, але ті самі властивості, що роблять їх невловимими, роблять їх привабливими цілями. Точна форма сигналу (тобто його частота, наскільки швидко вона змінюється, наскільки гучна тощо) залежить від того, з чого зроблені нейтронні зірки. Поки що структура нейтронних зірок — відкрите питання, яке залучає самих різних фізиків. Навіть без виявлення, пошук дозволяє зазирнути за завісу на невідому фізику нейтронних зірок. Коли ми виявимо безперервні хвилі, ми відкриємо завісу і проллємо світло на нову фізику. До цього часу ми можемо використовувати інформацію, яку ми маємо, для уточнення нашого розуміння та вдосконалення наших методів пошуку".

Співробітник OzGrav Ліллі Сан з Австралійського національного університету каже: "Молоді нейтронні зірки в залишках наднових є перспективними цілями для пошуку цих крихітних безперервних гравітаційних хвиль, оскільки вони не витратили достатньо часу, щоб розслабитися і згладити асиметрії, що виникли при їх народженні. У нашому прагненні знайти безперервні хвилі від цих молодих нейтронних зірок під час нашого третього циклу спостережень (O3) ми вперше взяли до уваги можливість того, що внутрішня конфігурація та структура зірки можуть спричинити сигнали, що виходять з двома різними гармоніками. Хоча в O3 жодного сигналу не було виявлено, ми встановили цікаві обмеження на властивості нейтронних зірок. Якщо такий сигнал вдасться виявити в майбутніх спостереженнях, коли детектори будуть більш чутливими, він проллє світло на захопливу структуру нейтронних зірок".

Дослідник-постдокторант OzGrav Карл Блер з Університету Західної Австралії каже: "Гравітаційні хвилі використовуються для зондування найбільш екзотичних об’єктів у Всесвіті. Нейтронні зірки — складаються з речовини, яка колапсувала сама в себе, схожі на гігантські атомні ядра — повинні бути одним із найекзотичніших. Ми не так багато знаємо про нейтронні зірки, тому що вони такі маленькі та дивні. Вони тверді чи м’які? І коли вони швидко обертаються, коли колапсують, чи вони вихитують ту енергію у вигляді гравітаційних хвиль? Хоча поки немає доказів існування безперервних гравітаційних хвиль від нейтронних зірок, були встановлені обмеження щодо хиткості нейтронних зірок, виходячи з того факту, що ми ще не вимірювали від них гравітаційних хвиль".

На додачу, нещодавні дослідження, оголошені міжнародною дослідницькою групою, включаючи американську/міжнародну наукову співпрацю LIGO, європейську Virgo та японську KAGRA, були зосереджені на пульсарах. Це нейтронні зірки, які діють як космічні маяки, випромінюючи велику кількість енергії у вигляді радіохвиль. Пульсари схожі на гігантські магніти, що обертаються, за винятком того, що вони в мільярди разів сильніші ніж ті, що наліплені на ваш холодильник. Настільки сильніші, що магнітне поле спотворює форму нейтронної зірки і може призвести до появи характерного гулу безперервних гравітаційних хвиль. Незважаючи на те, що останні дослідження нічого не підловили, вони виявили жорсткі обмеження щодо того, наскільки гучним може бути "гул", який, в деяких випадках, починає ставити під сумнів теоретичні передбачення.

Аспірант OzGrav Дікша Бенівал з Університету Аделаїди каже: "Спостереження за гравітаційними хвилями в рамках запуску O3 на детекторах LIGO та Virgo дозволило нам встановити реалістичні обмеження щодо сигналів, які очікуються від молодих пульсарів. Спостереження O3 також дають можливість випробувати різні способи — наприклад, методи пошуку сигналів безперервних хвиль в реалістичних умовах".

Дослідник-постдокторант OzGrav Мег Міллхаус з Мельбурнського університету каже: "Безперервні гравітаційні хвилі від нейтронних зірок набагато менші, ніж гравітаційні хвилі, які до цього часу спостерігали LIGO та Virgo. Це означає, що для їх виявлення потрібні інші методи. І, оскільки вони є протяжними тривалими сигналами, нам потрібно проаналізувати дуже багато даних, які можуть бути дуже складними для обчислень. Недавні опубліковані роботи на LIGO-Virgo демонструють широкий спектр цих розумних підходів для виявлення безперервних гравітаційних хвиль. Хоча в останніх проаналізованих даних не було виявлень, ми маємо хороші шанси продовжувати пошук і, можливо, зробити виявлення, коли LIGO збере більше даних".

Вчені підрахували, що в Чумацькому Шляху є мільярди нейтронних зірок, від яких йде слабке бурмотіння безперервних гравітаційних хвиль. Тому подальші дослідження застосували підхід "широко розкритих вух", поєднуючи дані LIGO та Virgo для отримання будь-якого натяку на сигнал. Отримані на сьогоднішній день результати дозволяють припустити, що ці бурмотіння надзвичайно тихі та виходять за межі "вух" детекторів. Однак, у міру того, як технологія детекторів стає більш вдосконаленою та чутливою, перше в історії виявлення безперервних гравітаційних хвиль може незабаром стати реальністю.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.