Науковці дослідили гравітаційні хвилі, які народжуються внаслідок злиття нейтронних зір. Виявилося, що в міру того, як ці коливання затухають, вони приходять до одного тону, схожого на тону, схожого на той, що породжується камертоном.
Хвилі від злиття нейтронних зір
Вчені з Франкфуртського університету імені Гете знайшли новий спосіб дослідити надра нейтронних зір за допомогою гравітаційних хвиль від їхніх зіткнень. Проаналізувавши фазу «довгого затухання» — чистий тоновий сигнал, що випромінюється залишком після злиття, — вони виявили сильну кореляцію між властивостями сигналу і рівнянням стану речовини нейтронної зорі. Їхні результати були нещодавно опубліковані в журналі Nature Communications.
Нейтронні зорі, маса яких перевищує масу всієї Сонячної системи, обмежені майже ідеальною сферою діаметром лише кілька десятків кілометрів, є одними з найцікавіших астрофізичних об’єктів, відомих людству. Проте екстремальні умови в їхніх надрах роблять склад і структуру вкрай невизначеними.
Зіткнення двох нейтронних зір, подібне до того, що ми спостерігали у 2017 році, дає унікальну можливість розкрити ці таємниці. Оскільки подвійні нейтронні зорі обертаються по спіралі протягом мільйонів років, вони випромінюють гравітаційні хвилі, але найінтенсивніше випромінювання відбувається в момент злиття і через кілька мілісекунд після нього.
Чистий тон після злиття
Залишок після злиття — масивний об’єкт, що швидко обертається в результаті зіткнення, — випромінює гравітаційні хвилі в потужному, але вузькому діапазоні частот. Цей сигнал містить важливу інформацію про так зване рівняння стану ядерної матерії, яке описує, як речовина поводиться за екстремальних густин і тисків.
Група професора Лучано Реццолли з Франкфуртського університету імені Гете виявила, що хоча амплітуда гравітаційно-хвильового сигналу після злиття з часом зменшується, він стає все більш чистим — тяжіє до однієї частоти, подібно до гігантського камертона, що резонує після удару. Вони назвали цю фазу «довгим затуханням» і виявили тісний зв’язок між її унікальними характеристиками й властивостями найщільніших областей в ядрах нейтронних зір.
«Подібно до того, як камертони з різного матеріалу мають різні чисті тони, залишки, що описуються різними рівняннями стану, будуть дзвеніти на різних частотах. Виявлення цього сигналу, таким чином, має потенціал виявити, з чого зроблені нейтронні зорі», — каже Реццолла.
Фаза тривалого стискання нейтронної зорі
Використовуючи сучасні загальнорелятивістські симуляції злиття нейтронних зір з ретельно побудованими рівняннями стану, дослідники продемонстрували, що аналіз довгого колапсу може значно зменшити невизначеності в рівнянні стану за дуже високих густин — там, де наразі не існує прямих обмежень.
«Завдяки успіхам у статистичному моделюванні та високоточній симуляції на найпотужніших суперкомп’ютерах Німеччини, ми відкрили нову фазу тривалого стискання у злитті нейтронних зір, — говорить д-р Крістіан Еккер, перший автор дослідження. — Вона має потенціал для встановлення нових і суворих обмежень на стан речовини в нейтронних зорях. Цей висновок прокладає шлях до кращого розуміння щільної речовини нейтронних зір, особливо з огляду на те, що в майбутньому будуть спостерігатися нові події».
Хоча сучасні детектори гравітаційних хвиль ще не спостерігали сигнал після злиття, вчені оптимістично налаштовані, що детектори наступного покоління, такі як телескоп Ейнштейна, який, як очікується, почне працювати в Європі протягом наступного десятиліття, зроблять це довгоочікуване виявлення можливим. Коли це станеться, довгий спалах стане потужним інструментом для дослідження загадкових надр нейтронних зір і розкриття таємниць матерії в її найекстремальніших проявах.
За матеріалами phys.org
