Учёные предсказывают, что смерть массивной, быстро вращающейся звезды может «потрясти Вселенную», создавая гравитационные волны, которые можно зарегистрировать с помощью современных установок. Эти источники гравитационных волн только ждут своего открытия, предсказывают ученые, стоящие за исследованием, опубликованным в The Astrophysical Journal Letters.
Гравитационные волны возникают после смерти быстро вращающихся звёзд, масса которых в 15-20 раз больше массы Солнца. После того, как у них заканчивается топливо, они взрываются, что называется коллапсом. Это оставляет после себя чёрную дыру, окружённую большим диском остаточного материала, который быстро закручивается внутрь чёрной дыры. Спиральное движение материала, которое длится всего несколько минут, настолько велико, что искажает пространство вокруг себя, создавая гравитационные волны, которые распространяются по всей Вселенной.
Используя моделирование, учёные определили, что эти гравитационные волны можно обнаружить с помощью таких инструментов, как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), которая в 2015 году провела первые прямые наблюдения гравитационных волн от сливающихся чёрных дыр. Если волны, вызванные коллапсаром, будут обнаружены, то это поможет понять механизмы коллапсаров и чёрных дыр.
«В настоящее время единственные источники гравитационных волн, которые мы обнаружили, возникают в результате слияния двух компактных объектов — нейтронных звёзд или чёрных дыр. Один из самых интересных вопросов в этой области: каковы потенциальные не связанные со слиянием источники, которые могли бы создавать гравитационные волны, которые мы можем обнаружить с помощью современных установок? Одним из многообещающих ответов теперь являются коллапсы звёзд», — говорит руководитель исследования Оре Готтлиб, научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон в Нью-Йорке.
Готтлиб вместе с учёным CCA и профессором Колумбийского университета Юрием Левиным и профессором Тель-Авивского университета Амиром Левинсоном смоделировали условия, включая магнитные поля и скорости охлаждения, обнаруженные после коллапса огромной вращающейся звезды. Моделирование показало, что коллапсары могут производить гравитационные волны, достаточно мощные, чтобы быть заметными на расстоянии около 50 миллионов световых лет. Это расстояние составляет менее одной десятой обнаруживаемого диапазона более мощных гравитационных волн от слияний чёрных дыр или нейтронных звёзд.
Эти данные стали неожиданностью, говорит Готтлиб. Учёные думали, что хаотический коллапс создаст беспорядочные волны, которые будет трудно выделить среди фонового шума Вселенной.
Новые расчёты показали, что вращающиеся диски вокруг коллапсирующих звёзд также могут испускать гравитационные волны, которые усиливаются вместе, очень похоже на вращающиеся компактные объекты при слияниях. «Я думал, что сигнал будет гораздо более беспорядочным, потому что диск представляет собой непрерывное распределение газа с вращающимся по разным орбитам материалом. Но мы обнаружили, что гравитационные волны от этих дисков испускаются когерентно, и они также довольно сильны», — прокомментировал Готтлиб.
Не только предсказываемый сигнал от коллапсарных дисков достаточно силён, чтобы его мог обнаружить LIGO, но и расчёты Готтлиба показывают, что несколько событий уже могут быть в существующих наборах данных. Планируемые детекторы гравитационных волн, такие как Cosmic Explorer и Einstein Telescope, могли бы обнаруживать десятки таких событий в год.
Научное сообщество уже заинтересовано в поиске этих событий, но это непростая задача. Новая работа вычислила гравитационно-волновые признаки для скромного числа потенциальных событий звёздных коллапсов. Однако звёзды охватывают широкий диапазон профилей массы и вращения, что может создать различия в вычисленных сигналах гравитационных волн.
«В идеале смоделировать 1 миллион событий коллапсов, чтобы иметь возможность создать общий шаблон, но, к сожалению, это очень дорогие симуляции. Поэтому на данный момент нам приходится выбирать другие стратегии», — добавил Готтлиб.
Учёные могут изучить исторические данные, чтобы увидеть, есть ли какие-либо события, похожие на то, что смоделировал Готтлиб. Однако, учитывая разнообразие звёзд, каждая из которых имеет потенциально уникальный сигнал, найти соответствие одному из смоделированных сигналов маловероятно.
Вторая стратегия заключается в использовании других сигналов от близких событий, таких как сверхновые или гамма-всплески, которые испускаются во время коллапса звезды, а затем в поиске в архивах данных, чтобы выяснить, были ли зарегистрированы какие-либо гравитационные волны в этой области примерно в то же время.
Обнаружение гравитационных волн, генерируемых событиями коллапсов, поможет учёным лучше понять внутреннюю структуру звёзд, а также позволит узнать больше о свойствах чёрных дыр — двух темах, которые до сих пор остаются плохо изученными.
«Это вещи, которые мы не можем обнаружить и изучить иным образом. Единственный способ — это гравитационные волны», — говорит Готлиб.