Ученые исследовали гравитационные волны, рождающиеся в результате слияния нейтронных звезд. Оказалось, что по мере того, как эти колебания затухают, они приходят к одному тону, похожему на тону, похожему на порождаемый камертоном.
Волны от слияния нейтронных звезд
Ученые из Франкфуртского университета имени Гете нашли новый способ изучить недра нейтронных звезд с помощью гравитационных волн от их столкновений. Проанализировав фазу «длинного затухания» — чистый тоновый сигнал, излучаемый остатком после слияния, — они обнаружили сильную корреляцию между свойствами сигнала и уравнением состояния вещества нейтронной звезды. Их результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
Нейтронные звезды, масса которых превышает массу всей Солнечной системы, ограничены почти идеальной сферой диаметром всего в несколько десятков километров, являются одними из самых интересных астрофизических объектов, известных человечеству. Однако экстремальные условия в их недрах делают состав и структуру крайне неопределенными.
Столкновение двух нейтронных звезд, подобно тому, что мы наблюдали в 2017 году, дает уникальную возможность раскрыть эти тайны. Поскольку двойные нейтронные звезды вращаются по спирали в течение миллионов лет, они излучают гравитационные волны, но самое интенсивное излучение происходит в момент слияния и через несколько миллисекунд после него.
Чистый тон после слияния
Остаток после слияния — быстро вращающийся в результате столкновения массивный объект, — излучает гравитационные волны в мощном, но узком диапазоне частот. Этот сигнал содержит важную информацию о так называемом уравнении состояния ядерной материи, описывающем, как вещество ведет себя при экстремальных плотностях и давлениях.
Группа профессора Лучано Реццоллы из Франкфуртского университета имени Гете обнаружила, что хотя амплитуда гравитационно-волнового сигнала после слияния со временем уменьшается, он становится все более чистым — тяготеет к одной частоте, подобно резонирующему после удара гигантскому камертону. Они назвали эту фазу «длинным затуханием» и обнаружили тесную связь между ее уникальными характеристиками и свойствами самых плотных областей в ядрах нейтронных звезд.
«Подобно тому, как камертоны из разного материала имеют разные чистые тона, остатки, описываемые разными уравнениями состояния, будут звенеть на разных частотах. Выявление этого сигнала, таким образом, имеет потенциал выявить, из чего сделаны нейтронные звезды», — говорит Реццолла.
Фаза длительного сжатия нейтронной звезды
Используя современные общерелятивистские симуляции слияния нейтронных звезд с тщательно построенными уравнениями состояния, исследователи продемонстрировали, что анализ длинного коллапса может значительно снизить неопределенность в уравнении состояния при очень высоких плотностях — там, где нет прямых ограничений.
«Благодаря успехам в статистическом моделировании и высокоточной симуляции на самых мощных суперкомпьютерах Германии, мы открыли новую фазу длительного сжатия в слиянии нейтронных звезд, — говорит д-р Кристиан Эккер, первый автор исследования. — Она имеет потенциал для установления новых и строгих ограничений. Этот вывод прокладывает путь к лучшему пониманию плотного вещества нейтронных звезд, особенно учитывая, что в будущем будут наблюдаться новые события».
Хотя современные детекторы гравитационных волн еще не наблюдали сигнала после слияния, ученые оптимистично настроены, что детекторы следующего поколения, такие как телескоп Эйнштейна, который, как ожидается, начнет работать в Европе в течение следующего десятилетия, сделают это долгожданное обнаружение возможным. Когда это произойдет, длинная вспышка станет мощным инструментом для исследования загадочных недр нейтронных звезд и раскрытия тайн материи в ее самых экстремальных проявлениях.
По материалам phys.org
