next up previous
Next: Сверхзадача Up: Гравитационно-волновое небо Previous: Формула Эйнштейна работает!

Первые звезды гравитационно-волнового неба

Нейтронные звезды -- это элементарные частицы Вселенной. Напомним (читай статью "Зоопарк нейтронных звезд"), нейтронные звезды были предсказаны Л.Д.Ландау как гигантские, весом с нормальную звезду типа Солнца, атомные ядра. Грубо говоря, это ядра супертяжелого элемента с порядковым номером tex2html_wrap_inline250 .

Халс-Тейлоровский пульсар свидетельствует: во Вселенной идут реакции столкновения нейтронных звезд:

displaymath252

Такая реакция обязательно должна сопровождаться всплеском гравитационных волн (Gravitational Wave Burst -- GWB), возможно, образованием черной дыоы (Black Hole -- BH), излучением нейтрино и, возможно, tex2html_wrap_inline254 -всплеском (Gamma Ray Burst -- GRB, см. статью автора "Военная тайна астрофизики").

Замечательно, что при слипании нейтронных звезд коэффициент tex2html_wrap_inline240 максимален и достигает десятков процентов. Из формулы Эйнштейна следует, что гравитационно-волновая светимость в момент полного слияния приближается к максимальному пределу:

displaymath258

Эта величина, которую Эйнштейн назвал естественной светимостью, похоже, действительно является верхним пределом светимости в природе. Давайте рассмотрим процесс, в котором вся энергия некоторой массы вещества tex2html_wrap_inline260 переходит в излучение за кратчайшее время tex2html_wrap_inline262 . Разделив максимальную энергию на минимальное время, получим в точности "естественную светимость". Это поистинне огромная величина. Например, самые мощные объекты Вселенной, квазары излучают в сотни миллиардов раз меньше. Но самое удивительное, что этот предел, полученный в рамках общей теории относительности не изменится даже в будущей теории квантовой гравитации. Если разделить планковскую энергию на планковское время, то постоянная Планка выпадет, и останется "естественная светимость"!

Но как часто во Вселенной происходят столкновения нейтронных звезд?

Уже грубая оценка частоты таких событий, опирающаяся на наблюдения двойных пульсаров, показала, что слияния должны происходить в нашей Галактике раз в миллион лет. Именно под эту цифру и строится самый большой приемник гравитационных волн LIGO. На самом деле, оценка эта сильно занижена, так как для получения грав-волн не важно, чтобы нейтронные звезды были радиопульсарами, которых гораздо меньше, чем потухших пульсаров -- обычных нейтронных звзед. Расчеты, проведенные в Государственном астрономическом институте им. П.К.Штернберга, показывают, что в среднем одно слияние происходит раз в 10 000 лет.

Конечно, никто не собирается ждать 10 000 лет до очередного столкновения нейтронных звезд. Ведь во Вселенной миллиарды галактик. Их плотность примерно равна 1 галактике на 100 кубических Мегапарсек. Процесс настолько эффективен, что уже первая очередь LIGO с чувствительностью tex2html_wrap_inline264 позволит наблюдать слияния с расстония 100 миллионов парсек. Действительно, если чувствительность равна tex2html_wrap_inline266 , то максимальное расстояние, на котором еще виден источник, будет равно:

displaymath268

Это расстояние можно назвать гравитационно-волновым горизонтом детектора. Внутри этого горизонта находится примерно 10000 галактик, и следовательно, в таком объеме за один год происходит примерно 1 слияние.

Конечно, цифра получается не очень большой. Одна гравитационно-волновая вспышка за год, да еще на самом пределе чувствительности - это, действительно не много. Поэтому, строители интерферометров ничего особенного не ждут от первой очереди проекта. А зря!

Обратите внимание, гравитационно-волновой горизонт детектора пропорционален гравитационому радиусу сталкивающихся звезд, который сам пропорционален массе. Следовательно, частота столкновений внутри горизонта -- кубу массы! Но есть только один релятивистский объект, который по массе превосходит нейтронные звезды. Это черные дыры. Вернее, есть пока лишь их теоретическое предсказание и неплохие наблюдательные кандидаты (см. статью А.М.Черепащука) в двойных рентгеновских системах. Кроме того, законы звездной эволюции убеждают нас в том, что во Вселенной идут реакции столкновения релятивистских звезд:

displaymath270

Средняя масса черных дыр примерно в 10 раз выше, чем масса нейтроных звезд, и объем внутри горизонта в тысячу раз больше! Но вот проблема, о черных дырах, вернее, о том, как они образуются, астрономы пока знают гораздо меньше, чем про нейтронные звезды, и средняя частота слияний известна гораздо хуже. Тем не менее, недавние теоретические расчеты показывают, что при всех неопределенностях первые гравитационно-волновые детекторы будут чаще регистрировать слияния черных дыр, а не нейтронных звезд (см. Рис. ?).

  
Figure 2.: Ожидаемая скорость регистрации гравитационно-волновых всплесков от слияния нейтронных звезд и черных дыр в зависимости от неизвестного пока параметра - доли вещества звезды уходящего в черную дыру в момент ее образования. Зачерненная область, напоминающая голову доисторического чудовища - это расчитанная на основе современной теории эволюции двойных звезд область вероятной частоты регистрации. Область велика - много неизвестных параметров, но она везде значительно выше частоты детектирования сигнала от сливающихся нейтронных звезд (заштрихованнная горизонтальная полоса). Диаграмма показывает, что первыми будут открыты сливающиеся черные дыры (В.М.Липунов, К.А.Постнов и М.Е.Прохоров, 1997).

Этот результат, полученный несколько лет назад, оказался совершенно неожиданным для строителей интерферометров. Дело в том, что в нескольких странах (Японии, Италии и Германии) идет строительство собственных интерферометров, меньших размеров, и потому более дешевых. Все они будут способны зарегистрировать сигналы от слияния черных дыр. Причем регистрация такого сигнала позволит точно измерить массу сливающихся звезд, а сравнение с теоретической формой всплеска позволит, быть может, доказать существование черных дыр в природе. Таким образом, впервые в истории физики, в одном эксперименте могут быть открыты сразу две новые физические сущности -- гравитационные волны и черные дыры.



Lipunov V.M.
Sun Oct 18 17:07:48 MSK 1998