Гравитационные волны от звездопадения видны на миллионах световых лет.

Учёные предполагают, что гибель массивной звезды, быстро вращающейся, может вызвать «волны» по всей Вселенной. Такой эффект будет обусловлен гравитационными волнами, которые современное оборудование способно регистрировать. Авторы исследования, опубликованного в The Astrophysical Journal Letters, считают, что эти источники гравитационных волн ждут своего открытия.

Гравитационные волны возникают после смерти быстро вращающихся звёзд, масса которых в 15-20 раз больше массы Солнца. После исчерпания топлива такие звезды взрываются, что называется коллапсом. Это оставляет чёрную дыру, окружённую большим диском остаточного материала, который быстро закручивается внутрь неё. Спиральное движение материала, длится всего несколько минут, настолько велико, что искажает пространство вокруг себя, создавая гравитационные волны, которые распространяются по всей Вселенной.

С помощью моделирования учёные выяснили возможность обнаружения этих гравитационных волн с помощью инструментов, таких как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), которая в 2015 году провела первые прямые наблюдения гравитационных волн от слившихся чёрных дыр. Обнаружение волн, вызванных коллапсаром, даст возможность понять механизмы коллапсаров и чёрных дыр.

Источник: DALL-E

В настоящее время источники гравитационных волн, которые мы обнаружили, связаны со слиянием двух компактных объектов — нейтронных звёзд или чёрных дыр. Интересный вопрос: существуют ли не связанные со слияниями источники, способные создавать детективные нам гравитационные волны? Одним из многообещающих ответов являются коллапсы звёзд.

Готтлиб совместно с учёным CCA и профессорами Колумбийского и Тель-Авивского университетов Юрием Левиным и Амиром Левинсоном создал модели условий, включающих магнитные поля и скорости охлаждения, сформировавшиеся после коллапса гигантской вращающейся звезды. Моделирование выявило, что коллапсары могут генерировать гравитационные волны достаточной силы для регистрации на расстоянии примерно в 50 миллионов световых лет. Такое расстояние эквивалентно менее одной десятой обнаруживаемого диапазона более мощных гравитационных волн от слияний чёрных дыр или нейтронных звёзд.

Данные оказались неожиданными, отмечает Готтлиб. Исследователи предполагали, что хаотический коллапс спровоцирует неструктурированные волны, которые будут трудно отличить от космического фона.

Новые расчеты демонстрируют возможность излучения гравитационных волн вращающимися дисками вокруг коллапсирующих звезд, которые усиливаются подобно эффекту слияния компактных объектов.

Предсказуемый сигнал от коллапсарных дисков достаточно сильный для регистрации LIGO. Расчёты Готтлиба показывают возможность обнаружения нескольких таких событий в имеющихся наборах данных. Планируемые детекторы гравитационных волн, такие как Cosmic Explorer и Einstein Telescope, смогут обнаруживать десятки подобных событий ежегодно.

Научное сообщество заинтересовано поиском этих событий, но это сложная задача. Новая работа вычислила признаки гравитационных волн для небольшого числа потенциальных событий коллапса звёзд. Однако звезды имеют широкий диапазон масс и вращения, что может приводить к различиям в рассчитанных сигналах гравитационных волн.

Для создания общей модели требуется миллион симуляций коллапсов, но из-за высокой стоимости пришлось выбрать альтернативные подходы.

Изучая исторические данные, учёные могут попытаться обнаружить события, аналогичные моделям Готтлиба. Однако, учитывая различие звёзд и их потенциально неповторимые сигналы, найти соответствие одному из смоделированных сигналов маловероятно.

Вторая стратегия основана на использовании сигналов от близких событий, таких как сверхновые или гамма-всплески, возникающие при коллапсе звезды, и поиске в архивах данных гравитационных волн, зарегистрированных в той же области примерно в то же время.

Открытие гравитационных волн, создаваемых коллапсами, даст учёным возможность глубже понять строение звёзд и свойства чёрных дыр, которые пока недостаточно исследованы.

Готлиб утверждает, что эти предметы нельзя исследовать иначе, кроме как с помощью гравитационных волн.