Как учёные исследуют нейтронные звёзды с помощью гравитационных волн

Учёные из Великобритании создали новую модель изучения нейтронных гравитационных волн, благодаря которой можно более подробно изучить структуру и состав нейтронных звёзд. Как отмечают исследователи, когда такие звёзды образуют двойную систему, от них исходят гравитационные волны на определённой частоте, несущие информацию об их особенностях. Модель, разработанная группой учёных, впервые позволяет определять частоту колебаний гравитационно-волнового сигнала двойных нейтронных звёзд. По мнению астрофизиков, с открытием новых детекторов волн эта модель может быть использована для дальнейшего исследования и классификации таких космических объектов.

Учёные из Бирмингемского университета (Великобритания) разработали новую модель определения уникальных частот гравитационных волн, исходящих от двойных нейтронных звёзд. Об этом сообщается в журнале Nature Communications.

То, что во Вселенной могут существовать гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света, предполагалось ещё в предложенной Альбертом Эйнштейном общей теории относительности. Они представляют собой колебания пространства-времени, вызванные крупными космическими событиями, такими как слияние нескольких звёзд или звёзд и чёрных дыр. В 1962 году советский учёный Владислав Пустовойт впервые предложил использовать метод регистрации гравитационных волн при помощи лазерных интерферометров. Однако впервые такие волны были зарегистрированы экспериментально лишь в 2017-м в американской обсерватории LIGO.

Природа и структура нейтронных звёзд остаются малоизученными до настоящего времени. Согласно ряду гипотез, эти космические объекты образуются в результате взрыва сверхновых звёзд и представляют собой, по сути, их остаточные ядра. Нейтронные звёзды отличаются невероятно высокой плотностью: при диаметре в 10—20 км их масса сравнима с массой Солнца или превышает её в несколько раз. Известны тысячи одиночных нейтронных звёзд, найденных в электромагнитном спектре, однако их практически невозможно исследовать. Задача упрощается, когда две такие звезды притягиваются и сливаются в одну. Под воздействием сил притяжения в образовавшейся двойной системе обе сливающиеся звезды вытягиваются и производят гравитационно-волновые колебания на определённой частоте.

«Две звезды, обращаясь друг вокруг друга, деформируются под воздействием силы гравитации от своего партнёра. Приливные силы вызывают внутри звёзд определённые колебания, по которым мы можем делать выводы об их внутренней структуре. Вычисляя параметры таких колебаний на основании данных гравитационно-волнового сигнала, мы можем получать информацию о фундаментальной природе и составе этих загадочных объектов», — пояснил сотрудник института изучения гравитационных волн при Бирмингемском университете доктор Герайнт Праттен.

Модель, разработанная бирмингемской научной группой, позволяет получить уникальную информацию о такой двойной системе, исходя из измерений гравитационно-волновых колебаний. Для проверки разработанной модели были использованы волны, полученные от слияния двойной нейтронной звезды GW170817.

Компьютерное моделирование взаимодействия нейтронных звёзд двойной системы GW170817. © University of Birmingham

«Спустя почти три года с момента первого наблюдения гравитационных волн двойной нейтронной звезды мы находим новые способы извлечения дополнительной информации о них из поступающих сигналов. Чем больше информации нам удастся собрать путём разработки ещё более сложных теоретических моделей, тем ближе мы подберёмся к выявлению истинной природы нейтронных звёзд», — добавила соавтор и коллега доктора Праттена Патрисия Шмидт.

Как отметил Герайнт Праттен, по итогам единственного исследованного события удалось получить лишь ограниченную информацию, так как из-за сильных помех было невозможно изолировать сигнал. Однако он уверен, что с помощью более совершенных инструментов учёные смогут «точнее измерять частоту колебаний и получать весьма любопытные сведения».

По мнению исследователей, активно развивающаяся астросейсмология (наука о звёздных колебаниях) становится важнейшим инструментом изучения Вселенной. Астрофизики полагают, что обсерватории гравитационных волн следующего поколения, открытие которых намечено на 2030-е годы, будут способны обнаруживать больше двойных нейтронных звёзд и изучать их гораздо подробнее, чем сейчас.