Гравитационные волны от нейтронной звезды - слияние нейтронных звезд

[ Обновлено внизу для первого обнаружения GW слияния NS-NS.]

Есть несколько больших отличий:

1. Нейтронные звезды легче, чем (известные) черные дыры, что сдвигает частоты выше
2. Приливные эффекты изменяют скорость, с которой орбита затухает.
3. Нейтронные звезды соприкоснулись раньше, чем черные дыры слились
4. Выброшенное вещество может внести вклад в сигнал гравитационной волны
5. Слившаяся нейтронная звезда может иметь «горы», которые продолжают излучать
6. Вероятно, самый важный эффект: вещество в НЗ может излучать фотоны и нейтрино.

Во- первых, массы нейтронных звезд попадают в диапазон от 1 до 2 масс Солнца (M$_\odot$), тогда как считается, что самая легкая из известных черных дыр составляет ~ 3M$_\odot$. Более того, в первых нескольких обнаружениях двойных ЧД на ГВ каждая из ЧД имеет массы в диапазоне 7–40 M.$_\odot$. Таким образом, мы ожидаем, что все двоичные файлы NS будут легче, чем все двоичные файлы BH. Это важно, поскольку, грубо говоря, чем меньше масса системы, тем более высоких частот достигают ее ГВ перед слиянием. ¹ Но детекторы LIGO / Virgo имеют фиксированные частотные окна, в которых они чувствительны, так что это означает, что детекторы будут обнаруживать системы NS «раньше» в своей эволюции, чем системы BH, что, в свою очередь, означает, что системы NS будут дольше находиться в чувствительные окна детекторов. Это также означает, что фактическое слияние двоичных файлов NS будет происходить на очень высоких частотах, к которым я вернусь чуть позже.

Но признавая эту принципиальную разницу в масштабах масс, давайте пока ее проигнорируем. Представьте себе идентичные двойные системы, состоящие из одинаковых масс и спинов, за исключением того, что в одной есть пара черных дыр (ЧД), а в другой — пара нейтронных звезд (НС). Двойная система ЧД имеет массу меньше, чем мы ожидаем, что она будет распространена в природе, но в остальном это реалистично и облегчает сравнение следующих нескольких точек.

Во-вторых, во время длинного вдоха — до того, как нейтронные звезды соприкоснулись — они приливают друг к другу. Но для того, чтобы поднять прилив, требуется некоторая энергия. Эта энергия исходит из самой орбиты. Таким образом, приливные эффекты изменяют скорость слияния двойной системы (по сравнению с двойной системой ЧД). См. этот документ и ссылки в нем для технических подробностей.

В-третьих, черные дыры продолжают свое движение по спирали дольше просто потому, что они более компактны, поэтому сливаются позже. Это означает, что сигнал ЧД продолжает увеличиваться и увеличиваться. С другой стороны, NS не могут подобраться так близко просто потому, что занимают больше места. В какой-то момент они соприкасаются или просто разрывают друг друга, что лишает их способности излучать действительно мощные гравитационные волны. Это обсуждается в этой статье .

В-четвертых, ЧД не могут развалиться и отбросить хвост. НС могут . И этот выброшенный хвост может производить свои собственные гравитационные волны, которые отпечатываются в сигнале.

В-пятых, после слияния ЧД они быстро «скатываются» к стационарной черной дыре. Фактически, их гравитационно-волновой сигнал более или менее экспоненциально падает после слияния. Это не относится к NS, которые могут иметь забавные формы или «горы». А поскольку объединенная НЗ будет быстро вращаться, эти горы могут излучать гравитационные волны, которые удерживают сигнал «включенным» гораздо дольше, чем в случае ЧД. См. Рисунок 1 в этой статье для примера сигнала NS. Этот сигнал после слияния также затухает, но не так быстро, как для ЧД.

Таким образом, это довольно существенные изменения в сигнале, а это означает, что в принципе детекторы гравитационных волн должны иметь возможность различать двойные системы НЗ и ЧД. Однако эти последние четыре пункта в основном относятся к очень высоким частотам (как упоминалось в первом пункте). Оказывается, многие различия между сигналами NS и BH находятся на более высоких частотах, которые LIGO/Virgo сможет обнаружить. Тем не менее, это могут быть чрезвычайно важные результаты, поэтому коллаборация LIGO/Virgo уже планирует настроить свои детекторы, чтобы в будущем они стали более чувствительными к этим высоким частотам.

Но шестой и последний пункт потенциально самый важный. Сливающиеся двоичные файлы ЧД имеют только массу, неважно. Но двойные системы NS имеют очень плотную материю, движущуюся с необычайной скоростью, расположенную в областях пространства-времени, которые могут излучать излучение для удаленных наблюдателей (не запертых внутри черной дыры). И каждый раз, когда у вас есть это, у вас будет выпущено много фотонов — весь спектр от радио до видимого и вплоть до гамма-излучения. Это означает, что мы потенциально сможем увидеть двойные звезды НЗ с помощью традиционной астрономии, а также с помощью гравитационно-волновой астрономии и потенциально даже нейтринной астрономии. Наличие всех этих различных способов наблюдения за одним и тем же событием потенциально позволит нам узнать гораздо больше физики. Эта область называется «астрономией с несколькими посыльными».этот ) об этом пишут.

Обновлять:

16 октября 2017 года астрономы объявили о первом обнаружении гравитационных волн от системы, включающей нейтронные звезды, наряду с электромагнитными и нейтринными наблюдениями за системой. Объявление ГВ находится здесь , а описания электромагнитных и нейтринных ^[2] наблюдений — здесь , и многие ссылки там. Есть также больше документов, перечисленных здесь и здесь .

Это обнаружение важно по нескольким причинам. Это первое обнаружение GW системы, в которой материя является основным ингредиентом. ^[3] Но, возможно, более важно то, что данные LIGO/Virgo предоставили хороший триггер и локализацию (это временные и пространственные координаты события соответственно) для традиционных электромагнитных и нейтринных телескопов для поиска системы, тем самым открыв эру мульти-мессенджера. астрономия с очень впечатляющей системой. В совокупности это дает хорошие (новые!) доказательства того, что короткие гамма-всплески вызваны слиянием нейтронных звезд, которые, как считается, ответственны за создание большинства тяжелых элементов, которые мы наблюдаем в природе .

Результаты соответствуют тому, что я сказал выше. В частности, результаты в основном относятся к пунктам 1 (низкая общая масса/высокая частота) и 6 (астрономия с несколькими мессенджерами). С другой стороны, это конкретное событие на самом деле не сильно затрагивает мои пункты 2-5. Помимо того факта, что это были (вероятно) нейтронные звезды, сами по себе гравитационные волны не дали нам много новой физики. ^[4]Основная причина в том, что система была очень легкой — как и все системы NS-NS — а это означает, что наиболее интересная физика происходит на высоких частотах (~ 1 кГц), но LIGO/Virgo в настоящее время имеют довольно высокие уровни шума на этих частотах. В конце концов, есть планы «настроить» интерферометр так, чтобы он имел очень малый шум в какой-то узкой полосе на высоких частотах (за счет более высокого шума на других частотах). Надеюсь, это даст нам больше интересных подробностей о физике будущих систем.

В связи с этим коллаборация LIGO/Virgo опубликовала очень интересный рисунок, изображающий массы известных ЧД и НЗ, включая обнаруженные на сегодняшний день. Неясно, действительно ли существует «пробел», когда ЧД не становятся намного легче, чем 5M.$_\odot$, или если это просто предвзятость измерения/отбора. Но совершенно очевидно, что NS не станут намного тяжелее 2M.$_\odot$.

Сноски:

1. Двоичные файлы ЧД масштабируются вместе с общей массой системы. Предположим, вы знаете все, что нужно знать о конкретной двойной системе BH с общей массой 20M.$_\odot$. Тогда вы автоматически узнаете все, что нужно знать о другом идентичном двоичном файле, за исключением того, что массы, скажем, в два раза больше; вам просто нужно умножить каждое число на соответствующий коэффициент некоторой степени 2. Например, если частота GW при слиянии была 400 Гц для первого двоичного файла, она будет 200 Гц для второго. Это соотношение является точным для ЧД (по крайней мере, до тех пор, пока не станут важными квантовые эффекты). Нейтронные звезды более беспорядочны, так как существует внутренняя шкала, заданная уравнением состояния их материи, но грубая идея та же самая, поскольку они достаточно хорошо аппроксимируются как точечные массы (ЧД) вплоть до соприкосновения.

2. Нейтринные «наблюдения» дали нулевой результат: нет никаких веских доказательств обнаружения нейтрино, связанного с этой системой. Это согласуется с моделью, согласно которой это была килонова на расстоянии 40 Мпк; не было бы огромного потока нейтрино, а нейтрино в любом случае трудно обнаружить.

3. Мы твердо верим, что это была пара нейтронных звезд. Вместо одного или обоих этих объектов могли быть черные дыры, но мы не думаем, что такие маломассивные черные дыры очень распространены. Кроме того, электромагнитные сигналы указывают на присутствие большого количества материи, так что в совокупности это довольно убедительно.

4. Приливные эффекты обсуждаются в разделе IV информационного документа , но это событие дает лишь ограничение на параметр деформируемости. Вероятно, вы могли бы также наложить некоторые ограничения на размеры объектов, учитывая тот факт, что система, казалось, продолжает вращаться даже на высоких частотах — таким образом показывая, что объекты были компактными — но я не видел таких ограничений. Я думаю, что выброшенная материя и «горы» на любом остатке должны были породить ГВ, которые были слишком малы и имели слишком высокие частоты, чтобы их можно было обнаружить в этом событии.