Астрофизики предлагают изучить внутреннюю структуру нейтронных звезд, анализируя колебания гравитационных волн, возникающие во время их слияния. Получение особого, «чистого» сигнала позволит раскрыть ключевые сведения о ядерных процессах, протекающих в недрах этих звезд.
Нейтронные звезды, являясь одним из возможных результатов эволюции звезд, характеризуются экстремальными параметрами: их масса может превышать массу Солнца в 2,16 раза, а радиус составляет 10-13 километров. Из-за чрезвычайно высокого давления и плотности вещества внутри этих астрономических объектов, создание аналогичных условий в лаборатории невозможно, поэтому вопрос о роли ядерных сил при таких давлениях остается ключевым в современной астрофизике.
Ученые проявляют особый интерес к слиянию нейтронных звезд, поскольку в результате этого процесса может образоваться более массивная нейтронная звезда или черная дыра. Вращающиеся вокруг друг друга нейтронные звезды приближаются по спирали из-за излучения гравитационных волн – этих искажений в структуре пространства-времени, которые распространяются по Вселенной со скоростью света.
Наиболее интенсивные колебания наблюдаются в момент слияния и в первые миллисекунды после него. В этот период формируется массивнейшая и быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая на протяжении некоторого времени испускает гравитационные волны с узкой полосой частот. Ученые стремятся выявить именно такой «чистый» сигнал».
Впервые зарегистрирован сигнал, возникающий при столкновении нейтронных звезд, зафиксировали в 2017 году с помощью детекторов гравитационных волн LIGO (расположены в США) и Virgo (Италия). Источником волны под названием GW170817 стали два объекта массой около 1,1 и 1,6 солнечной массы соответственно.
Специалисты из Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга Гёте (Германия) установили, что интенсивность подобного «чистого» сигнала со временем уменьшается, однако его частота приближается к определенной величине. Астрофизики обозначили эту фазу как «продолжительное затухание», проведя параллель с камертоном: после определенного периода у последнего исчезают дополнительные обертоны, и остается только базовая нота.
Результаты исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, показали, что именно в этой «чистой ноте» скрыта важная информация о плотности и давлении внутри нейтронных звезд.
Анализ, проведенный с использованием компьютерного моделирования, привел ученых к такому заключению: «продолжительное затухание» имеет прямую зависимость от максимального давления и плотности, наблюдаемых в ядрах звезд. Благодаря этому астрофизикам удалось определить наиболее экстремальные области диаграммы состояний вещества.
«Использование современных методов статистического моделирования и проведение высокоточных симуляций на мощных суперкомпьютерах позволили выявить новую фазу «продолжительного затухания» при слиянии нейтронных звезд. Это открытие может предоставить новые и более точные ограничения на состояние вещества, находящегося внутри этих звезд», — объяснил один из авторов научной работы Кристиан Эккер (Christian Ecker).
Современные гравитационно-волновые обсерватории, такие как LIGO, Virgo и KAGRA, пока не позволили зафиксировать «чистый» сигнал, возникающий при слиянии нейтронных звезд. Тем не менее, ученые рассчитывают на возможность обнаружения подобных сигналов с помощью детекторов нового поколения. В случае подтверждения их предположений, длительное затухание станет ценным инструментом для изучения структуры некоторых из самых плотных и экстремальных объектов, существующих во Вселенной.