Новый неожиданный источник гравитационных волн

До настоящего времени, гравитационные волны Они были обнаружены астрофизиками только из двойных систем — слияний либо двух черных дыр, либо двух нейтронных звезд, либо по одной каждой из них. Теоретически должно быть возможно обнаружить гравитационные волны, излучаемые одним небинарным источником, но такие неуловимые сигналы еще предстоит обнаружить.

Теперь исследователи из Северо-Западного университета предполагают, что эти неуловимые сигналы можно искать в новой, неожиданной и совершенно неизведанной области: турбулентных, ярких коконах обломков, окружающих умирающие массивные звезды.

Впервые исследователи использовали современное моделирование, чтобы показать, что эти коконы могут излучать гравитационные волны. В отличие от гамма-струй, гравитационные волны куколок должны находиться в диапазоне частот, используемом обсерваторией гравитационно-волнового лазерного интерферометра (Лего) можно обнаружить.

«На сегодняшний день LIGO обнаружила только гравитационные волны от двойных систем, но однажды она обнаружит первый небинарный источник гравитационных волн», — сказал Орр Готлиб из Northwestern, руководивший исследованием. «Коконы — одно из первых мест, где мы должны искать такой источник».

Готлиб недавно представил исследование во время виртуальной пресс-конференции на 242-м собрании Американского астрономического общества.

Новый источник «было невозможно игнорировать»

Для проведения исследования Готлиб и его сотрудники использовали новые современные модели моделирования коллапса массивной звезды. Когда массивные звезды коллапсируют в черные дыры, они могут создавать мощные струи (или струи) частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Моделирование Готлиба смоделировало этот процесс — от момента коллапса звезды до Черная дыра пока самолет не улетит.

Во-первых, он хотел посмотреть, может ли аккреционный диск, формирующийся вокруг черной дыры, излучать поддающиеся обнаружению гравитационные волны. Но что-то неожиданное продолжало всплывать из его данных.

Эволюция струйного кокона от рождения черной дырой до проникновения из звезды (цветная карта представляет собой логарифм амплитуды внеосевого напряжения, а звук отражает частоту ГВ). Предоставлено: Оре Готтлиб/CIERA/Северо-Западный университет

«Когда я рассчитывал гравитационные волны вблизи черной дыры, я обнаружил еще один источник, который нарушил мои расчеты, — кокон», — сказал Готлиб. «Я пытался игнорировать это. Но я обнаружил, что игнорировать это невозможно. Потом я понял, что кокон был захватывающим источником гравитационных волн».

Когда джеты сталкиваются с разрушающимися слоями умирающей звезды, вокруг джета образуется пузырь или «кокон». Коконы представляют собой турбулентные места, где горячие газы и мусор смешиваются случайным образом и расширяются во все стороны от струи. Готлиб объяснил, что по мере того, как энергетический пузырь выходит из плоскости с ускорением, он возмущает пространство-время, создавая волну гравитационных волн.

«Самолет влетает глубоко в звезду, а затем уходит, — сказал Готлиб. «Это похоже на то, когда вы сверлите отверстие в стене. Вращающееся сверло ударяется о стену, и обломки высыпаются из стены. Это сверло испускает материальную энергию. Точно так же струя пронзает звезду, в результате чего вещество звезды нагревается и выплескивается наружу. Эти обломки образуют горячие слои кокона».

Призыв к действию посмотреть на коконы

По словам Готлиба, если куколки действительно генерируют гравитационные волны, LIGO сможет обнаружить их при следующих запусках. Исследователи обычно ищут гравитационные волны с одним источником от гамма-всплесков или сверхновых, но астрофизики сомневаются в способности LIGO их обнаруживать.

«И джеты, и сверхновые — это очень мощные взрывы, — сказал Готлиб. Но мы можем обнаружить гравитационные волны только от более высокочастотных асимметричных взрывов. Сверхновые имеют сферическую форму и более или менее симметричны, поэтому сферические взрывы не изменяют сбалансированное распределение массы в звезде и не излучают гравитационные волны. Гамма-всплески длятся десятки секунд, поэтому частота очень мала — меньше диапазона частот, на который воздействует LIGO».

360-градусный вид кокона умирающей звезды (цветная карта — амплитуда логарифмической деформации). Предоставлено: Оре Готтлиб/CIERA/Северо-Западный университет.

Вместо этого Готлиб просит астрофизиков перенаправить свое внимание на коконы, которые асимметричны и обладают высокой энергией.

«Наше исследование — это призыв к действию для общества, чтобы посмотреть на куколок как на источник гравитационных волн», — сказал он. «Мы также знаем, что куколки излучают электромагнитное излучение, поэтому они могут быть событиями с несколькими сообщениями. Изучая их, мы можем больше узнать о том, что происходит в самой внутренней части звезд, о свойствах джетов и их распространении при звездных взрывах».

Ссылка: «Текущая и турбулентная звездная смертность: новые источники обнаруживаемых гравитационных волн LVK», Оре Готлиб, Хироки Нагакура, Александр Чеховской, Приямвада Натараджан, Энрико Рамирес-Руис, Шаран Банагири, Джонатан Жакмен-Идейки, 20 Кааз в Письма из астрофизического журнала.
DOI: 10.3847/2041-8213/ace03a

Готлиб является научным сотрудником CIERA в Северо-Западном центре междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA). Соавторами исследования из Северо-Западного университета являются профессора Вики Калогера и Александр Чиковской, научные сотрудники Шаран Панагири и Джонатан Жакмин-Эдди, а также аспирант Ник Каз.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом, НАСАи программа приглашенных исследователей Fermi Cycle 14. Эти передовые симуляции стали возможными благодаря саммиту суперкомпьютера Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики США и суперкомпьютеру Perlmutter NERC благодаря награде ASCR Computational Time Leadership Challenge.