Откуда LIGO и Virgo знают, что источником гравитационной волны является нейтронная звезда или черная дыра?

Самый очевидный — хотя, возможно, и наименее убедительный — способ — это отметить «массовый разрыв»: самые тяжелые нейтронные звезды, о которых мы знаем (по другим данным), легче трех масс Солнца, в то время как самые легкие черные дыры, о которых мы знаем (по другим данным). ) тяжелее 5 солнечных масс. Таким образом, если компоненты бинарного файла, которые обнаруживает LIGO, имеют массу в той или иной группе, разработчики LIGO/Virgo как бы ожидают, что объекты действительно находятся в этой группе. Если вы посмотрите на текущие подтвержденные обнаружения (показаны на изображении ниже), вы заметите, что действительно существует значительный разрыв между массами нейтронных звезд и массами черных дыр. Но часть работы LIGO/Virgo состоит в том, чтобы искать вещи, которые мы не можем найти другими способами. что может показать нам, что существуют более легкие черные дыры (ЧД) или более тяжелые нейтронные звезды (НС), чем мы ожидаем в противном случае. Так что они не останавливаются на достигнутом.

Также можно искать «приливные эффекты». Прежде чем две НЗ (или одна НЗ и одна ЧД) соприкоснутся, материя в нейтронной звезде исказится так, как не может черная дыра. Для создания этого искажения требуется энергия, которая исходит из орбитальной энергии двойной системы, и эта потеря энергии отпечатывается на орбитальном движении — в первую очередь, на «фазе» двойной системы, которая является наиболее точно обнаруженным аспектом. вдохновения. Поэтому, когда ОП говорит, что «гравитационные поля ЧД и НЗ, за исключением их интенсивности, идентичны в этом пространстве за пределами радиуса, который их определяет», это не совсем так. Это верно для изолированных невращающихся объектов (благодаря теореме Биркгофа, о чем, я думаю, думал ОП), но это неверно для объектов в двоичных файлах, и ни разу вы не окажетесь ниже радиуса NS.

Это приводит к еще одному важному отличию: НЗ сливаются (в основном) тогда, когда их материя вступает в контакт с другим членом бинарной системы, что происходит значительно раньше, чем ЧД вступают в контакт друг с другом. Радиус ЧД намного меньше, чем радиус НС, поэтому, по сути, пара ЧД продолжает двигаться некоторое время, двигаясь все быстрее и быстрее, чем если бы присутствовала НС. Этот разговор о расстояниях немного неточен, поэтому лучше говорить о сигнале ГВ, наблюдаемом на больших расстояниях от двойной системы (например, на Земле). В принципе, вы могли бы увидеть этот эффект в сигнале GW, где сигнал BH просто продолжал бы становиться быстрее и сильнее после того, как сигнал NS «выключился». Конечно, на самом деле он не отключен; сложные вещи происходят после слияния NS.

После того, как объекты сливаются, они продолжают демонстрировать огромные различия. Например, если речь идет о NS, некоторая материя может попасть в «хвост» или в диск вокруг центрального остатка. Это дополнительное движение материи (которого не было бы, если бы были только ЧД) может генерировать собственные гравитационные волны, которые, возможно, можно было бы обнаружить непосредственно. Скорее всего, НЗ будет «размазываться» и просто не будет так хорошо излучать гравитационные волны, поэтому пиковая амплитуда будет меньше. Однако после слияния ЧД мы знаем, что они "затухают" экспоненциально быстро. По сути, BH имеют очень быструю, простую и хорошо понятную фазу звонка, тогда как NS имеют беспорядочные и неэкспоненциальные последствия. Например, мы часто потом говорим о "горах" на НС, который будет продолжать вращаться и излучать слегка затухающие, но в основном непрерывные волны. Конечно, возможно, что слияние с одним или двумя NS приведет к тому, что в конце будет одна BH, которая также будет звонить вниз, но до этого или в дополнение к этому мы ожидаем много других сложных вещей. [Обратите внимание, что бинарное слияние NS, показанное на рисунке ниже, заканчивается знаком вопроса, что означает, что мы не совсем уверены, является ли остаток огромным NS или крошечной BH.]

Я должен объяснить, что эти эффекты слияния и пост-слияния происходят на довольно высоких частотах (поскольку NS являются относительно маломассивными объектами), тогда как LIGO и Virgo начинают становиться гораздо менее чувствительными по мере того, как вы переходите на более высокие частоты (потому что на высоких частотах просто недостаточно фотонов, поступающих на выход интерферометра; количество фотонов за период, скажем, становится совершенно случайным и, следовательно, зашумленным). Так что не совсем ясно, сможем ли мы увидеть «отключение» или «горы» с текущими детекторами. Многое зависит от неизвестной физики и нашей способности создавать хорошие модели сигналов, испускаемых слиянием НС. Но это правда, что по состоянию на начало 2019 года мы еще не видели никаких прямых доказательств их существования. Таким образом, последние два пункта, которые я описал, еще нефигурирует в заявлениях о том, включает ли какой-либо источник NS или BH.

Но одна вещь, которая скажет нам наверняка, было ли задействовано много материи — и была причина, по которой мы были так уверены в двойной НС LIGO/Virgo, объявленной в 2017 году , — это наличие электромагнитных сигналов. Очевидно, что пара черных дыр сама по себе не будет излучать какой-либо очевидный электромагнитный сигнал, в то время как эти огромные количества материи, когда задействована НЗ, должны излучать какой-то сигнал. Если мы обнаружим электромагнитный «аналог», мы можем быть гораздо более уверены в том, что было задействовано много материи; если мы ничего не обнаружим, маловероятно, что в системе было много вещества.

Таким образом, нет ни одного свидетельства, которое безоговорочно доказывало бы, что были вовлечены только NS или только BH, а есть совокупность свидетельств, указывающих в этом направлении. И действительно, насколько мы уверены в заключении, зависит от множества факторов. Если сигнал очень «громкий» и четкий, а массы находятся очень далеко от разрыва между массами, мы можем быть особенно уверены в наших выводах. Но если сигнал исходит от источника, который находится очень далеко или его трудно измерить каким-либо иным образом, и если массы близки к этому промежутку между массами, тогда мы не были бы слишком уверены в наших выводах. Для всех систем, подтвержденных на данный момент, я думаю, будет справедливо сказать, что большинство астрономов GW чрезвычайно уверены в выводах, но, безусловно, впереди еще много открытий, которые будут гораздо более неопределенными.

Измерение частоты гравитационных волн от двойной системы говорит вам об орбитальном периоде двойной системы. Скорость изменения этой частоты говорит вам, насколько быстро меняется этот орбитальный период. Их комбинация однозначно определяет « чирп-массу ». По сути, двойная система с меньшей массой демонстрирует гораздо более медленную скорость увеличения частоты во время щебета.

В первом порядке можно использовать следующее уравнение:

Хотя массы отдельных компонентов не определены, масса чирпа дает нижний предел общей массы.$M_T \geq 2.3 M_c$и нижний предел массы самого массивного компонента$m_1 \geq 1.15M_c$.

Так, например, первый обнаруженный источник гравитационных волн имел массу чирпа около 28 солнечных масс, что предполагает минимальную первичную массу около 32 солнечных масс.

Такие большие массы совершенно несовместимы с источниками нейтронных звезд. Нейтронные звезды имеют максимальную массу около 3 масс Солнца (а самые массивные из наблюдаемых имеют массу около 3 масс Солнца).

Кроме того, мы можем наблюдать, какова частота при максимальной амплитуде гравитационной волны. Эта частота в основном увеличивается до тех пор, пока не начнется их слияние. Для первого источника GW это около 150 Гц. Затем вы можете использовать третий закон Кеплера (с некоторыми небольшими релятивистскими поправками), чтобы оценить, что расстояние между двумя объектами в случае первого источника ГВ дает разделение только на$\sim 300$км.

Сочетание этих двух анализов (зубрежка$60+$солнечных масс вещества в то, что примерно вдвое больше радиуса Шварцшильда черной дыры такой массы) убедительно свидетельствует о слиянии черных дыр.

Напротив, слияние нейтронных звезд с меньшей массой дает гораздо меньшие массы щебета и гораздо более высокую пиковую частоту и разделение. Однако, чтобы отличить слияние нейтронной звезды и черной дыры с одинаковой общей массой, требуется тщательный анализ сигнала непосредственно до и после слияния и сравнение с предсказаниями общей теории относительности. Нейтронные звезды имеют поверхность и подвержены влиянию приливных сил, что приводит к небольшим различиям в сигнале GW.

Наконец, решающим доказательством является то, что слияние нейтронных звезд, как ожидается, приведет к значительному «электромагнитному аналогу» — килоновой, которую можно наблюдать с помощью других телескопов в диапазоне гамма-излучения вплоть до оптического и инфракрасного диапазонов. Такой аналог был замечен в единственном подтвержденном сигнале слияния нейтронных звезд, но ожидается, что он не будет присутствовать при слиянии черных дыр.

В гравитационно-волновом сигнале от килоновой есть несколько вещей, которые отличают его от гравитационно-волнового сигнала от слияния двойных черных дыр, некоторые из которых обсуждаются в статье об открытии GW170817 :

• Сигнал предоставляет информацию о массе щебета системы, количестве, которое можно использовать для вывода фактических масс компонентов. В случае сливающихся нейтронных звезд эти массы (суммарно несколько масс Солнца), конечно, должны быть существенно меньше, чем массы сливающихся черных дыр звездной массы (несколько десятков масс Солнца).
• Внутреннее строение нейтронных звезд должно приводить к приливным деформациям, которые видны на реконструкциях сигнала. Черные дыры не проявляют таких деформаций.
• Должны быть электромагнитные аналоги гравитационной волны, которых нельзя было бы ожидать при слиянии двойных черных дыр, и эти переходные процессы наблюдались в электромагнитном спектре после обнаружения GW170817.

Вскоре после первого обнаружения коллаборация LIGO/Virgo опубликовала в Annalen der Physik статью об основах физики слияния двойных черных дыр GW150914 . Это предназначено для широкой публики и показывает с помощью некоторых предварительных расчетов, почему они думают, что сигнал был вызван столкновением двух черных дыр. В нем обсуждается масса щебета и показано, что объекты должны были быть чрезвычайно компактными, поскольку конечная орбита была чрезвычайно мала. Это уже хорошо изложено в отличном ответе Роба , но я предлагаю прочитать саму статью, которая довольно легко читается.

В дополнение к другим ответам:

Что касается текущего запуска наблюдений LIGO / Virgo («O3»), коллаборация выпускает публичные оповещения всякий раз, когда есть вероятность обнаружения. Их можно найти по адресу https://gracedb.ligo.org/latest/ . Основная цель этих предупреждений — проинформировать астрономов о событии, позволить им определить, стоит ли отслеживать это событие с помощью своих телескопов.

Помимо информации о вероятном месте и расстоянии наблюдения, он дает указание на вероятный характер события (двойная черная дыра, двойная нейтронная звезда, BH-NS). Это важно, поскольку большинство астрономов не захотят «тратить впустую» свое скудное телескопическое время на погоню за отдаленной возможностью, если слияние двойных черных дыр создаст наблюдаемый электромагнитный сигнал. Недавние сообщения СМИ о том, что «LIGO наблюдала…», обычно основаны на этих предупреждениях.

Насколько я понимаю, это в основном основано на предварительных предполагаемых массах события. (Если она легче 3 масс Солнца или около того, то, вероятно, это нейтронная звезда. Она тяжелее 5 масс Солнца? Вероятно, это черная дыра.) В свое время последует более глубокий анализ каждого события. Между тем классификацию этих событий следует рассматривать только как предварительное указание, а не принимать как абсолютный факт.