Виявлено нове джерело гравітаційних хвиль

Поки що гравітаційні хвилі були виявлені астрофізиками лише в подвійних системах – злиття двох чорних дір, двох нейтронних зірок або однієї з них. Теоретично гравітаційні хвилі, що виходять від одиночного небінарного джерела, можна було б виявити, але такі невловимі сигнали ще належить виявити.

Дослідники з Північно-Західного університету тепер припускають, що ці невловимі сигнали можна шукати в новій, несподіваній і зовсім недослідженій області: бурхливих, енергійних коконах уламків, які оточують вмираючі масивні зірки.

Вперше в історії дослідники використали сучасне моделювання, щоб показати, що ці кокони можуть випромінювати гравітаційні хвилі. І, на відміну від струменів гамма-вибухів, гравітаційні хвилі коконів повинні знаходитися в діапазоні частот, який може виявити обсерваторія гравітаційних хвиль лазерного інтерферометра ( LIGO ).

«Станом на сьогодні LIGO виявив лише гравітаційні хвилі від подвійних систем, але одного дня він виявить перше небінарне джерело гравітаційних хвиль», — сказав Оре Готтліб з Northwestern, який керував дослідженням. «Кокони є одним із перших місць, де ми повинні шукати цей тип джерел».

Готліб нещодавно представив дослідження під час віртуального прес-брифінгу на 242-й зустрічі Американського астрономічного товариства.

Нове джерело було «неможливо ігнорувати»

Щоб провести дослідження, Готтліб і його співробітники використовували нове найсучасніше моделювання для моделювання колапсу масивної зірки. Коли масивні зірки колапсують у чорні діри, вони можуть створювати потужні потоки (або струмені) частинок, що рухаються зі швидкістю, близькою до світла. Симуляції Готліба змоделювали цей процес — від моменту колапсу зірки в чорну діру до виходу джета.

Спочатку він хотів побачити, чи може акреційний диск, який утворюється навколо чорної діри, випромінювати помітні гравітаційні хвилі. Але з його даних постійно випливало щось несподіване.

Еволюція реактивного кокона від народження чорною дірою до прориву від зірки (кольорова карта є логарифмом позаосьової амплітуди деформації, а звук відображає частоту GW). Авторство: Ore Gottlieb/CIERA/ Північно-західний університет

«Коли я розрахував гравітаційні хвилі в околицях чорної діри, я виявив ще одне джерело, яке порушило мої розрахунки — кокон», — сказав Готліб. «Я намагався ігнорувати це. Але я виявив, що це неможливо ігнорувати. Тоді я зрозумів, що кокон є цікавим джерелом гравітаційних хвиль».

Коли струмені стикаються з колапсованими шарами вмираючої зірки, навколо струменя утворюється бульбашка, або «кокон». Кокони – це турбулентні місця, де гарячі гази та сміття безладно змішуються та розширюються в усіх напрямках від струменя. Коли енергетична бульбашка прискорюється від струменя, вона збурює простір-час, створюючи брижі гравітаційних хвиль, пояснив Готтліб.

«Реактивний літак починається глибоко всередині зірки, а потім просвердлює свій вихід, щоб вирватися», — сказав Готліб. «Це як коли просвердлиш дірку в стіні. Свердло, що обертається, вдаряється об стіну, і зі стіни висипається сміття. Свердло дає цьому матеріалу енергію. Подібним чином струмінь пробиває зірку, спричиняючи нагрівання матеріалу зірки та висипання. Це сміття утворює гарячі шари кокона».

Заклик до дії подивитися на кокони

Якщо кокони дійсно генерують гравітаційні хвилі, то LIGO зможе виявити їх під час своїх майбутніх прогонів, сказав Готтліб. Дослідники зазвичай шукали гравітаційні хвилі з одного джерела від спалахів гамма-випромінювання або наднових, але астрофізики сумніваються, що LIGO зможе їх виявити.

«Як джети, так і наднові — це дуже енергійні вибухи», — сказав Готліб. «Але ми можемо виявити гравітаційні хвилі лише від більш високочастотних асиметричних вибухів. Наднові є скоріше сферичними та симетричними, тому сферичні вибухи не змінюють збалансований розподіл маси в зірці для випромінювання гравітаційних хвиль. Спалахи гамма-випромінювання тривають десятки секунд, тому частота дуже мала — нижче діапазону частот, до якого чутливий LIGO».

Замість цього Готліб просить астрофізиків перенаправити свою увагу на кокони, які одночасно асиметричні та високоенергетичні.

«Наше дослідження є закликом до дії для спільноти дивитися на кокони як на джерело гравітаційних хвиль», — сказав він. «Ми також знаємо, що кокони випромінюють електромагнітне випромінювання, тому вони можуть бути подіями з кількома повідомленнями. Вивчаючи їх, ми могли б дізнатися більше про те, що відбувається в найглибшій частині зірок, про властивості струменів і їхню поширеність у вибухах зірок». Джерело