ЧТО МЫ ИЩЕМ?
Сигналы гравитационных волн, обнаруженные до сих пор детекторами коллаборации LVK, возникают в результате слияния тяжелых астрономических объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды . Однако это не единственный тип гравитационных волн, который можно наблюдать. Более неуловимый случай связан с так называемыми непрерывными гравитационными волнами; это гравитационные волны, которые постоянно излучаются источником. Непрерывные гравитационные волны могут открыть новый путь на пути к пониманию Вселенной. Проблема в том, что эти непрерывные сигналы чрезвычайно слабы — для того, чтобы эти волны можно было обнаружить, поиск должен объединять данные за длительные периоды времени.
Перспективные источники непрерывных гравитационных волн включают нейтронные звезды, которые представляют собой чрезвычайно плотные, быстро вращающиеся объекты, генерирующие экстремальные гравитационные поля. Хотя существуют различные механизмы, с помощью которых нейтронная звезда может генерировать такой непрерывный спектр, очень простой механизм возникает из-за асимметрии или выпуклости в коре нейтронной звезды. При вращении нейтронной звезды такая шишка создает непрерывные гравитационные волны, подобно пропеллеру, генерирующему волны в воде.
ПОЧЕМУ SCORPIUS X-1 ЯВЛЯЕТСЯ ИДЕАЛЬНЫМ ИСТОЧНИКОМ НЕПРЕРЫВНЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН?
Scorpius X-1 представляет собой мало массивную рентгеновскую двойную систему (LMXB) , т. е. систему, состоящую из нейтронной звезды на двойной орбите и маломассивной нормальной звезды, называемой компаньоном. Характерным свойством этих систем является приток газа от звезды-компаньона к нейтронной звезде в процессе, известном как аккреция. Побочным продуктом аккреции является рентгеновское излучение; чем больше аккреция, тем больше производится рентгеновских лучей.
Поскольку аккреция может создать выпуклость в нейтронной звезде, сильные источники рентгеновского излучения являются хорошими кандидатами для непрерывного обнаружения гравитационных волн. Помимо Солнца, Скорпиус X-1 является самым ярким источником рентгеновского излучения в небе, что делает его идеальной целью для такого поиска. По этой причине поиски непрерывных гравитационных волн от Scorpius X-1 выполнялись в предыдущих сеансах наблюдений.
Тем не менее поиск гравитационных волн от Scorpius X-1 имеет свои проблемы. Во-первых, гравитационные волны излучаются на гармониках (кратных) частоте вращения звезды, и отсутствуют измерения частоты вращения нейтронной звезды в Скорпионе X-1. Это означает, что наш поиск должен охватывать широкий диапазон частот, чтобы найти сигнал. Во-вторых, хаотическая природа аккреции подразумевает, что частота вращения нейтронной звезды может изменяться непредсказуемым образом с течением времени. Это явление называется блужданием спина .
КАК МЫ ИСКАЛИ НЕПРЕРЫВНЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ?
Существует несколько методов поиска непрерывных гравитационных волн от Scorpius X-1, например поиск CrossCorr и Radiometer. Однако, чтобы приспособиться к широкому диапазону частот и блужданию спина, мы используем технику, называемую скрытой марковской моделью , которая позволяет нам эффективно искать сигналы, частота которых незначительно меняется в течение периода наблюдения. Этот метод основан на анализе данных путем их разделения на сегменты, каждый из которых длится десять дней, а затем на реконструкции наиболее вероятного частотного пути непрерывной гравитационной волны путем соединения всех сегментов.
Для корректного анализа каждого сегмента используется статистика, называемая J-статистикой . Этот инструмент принимает в качестве входных данных информацию о двойной системе, такую как: как ориентирована орбита двойной системы, положение нейтронной звезды в двойной системе и период обращения, а затем преобразует необработанные данные от детекторов в вероятность сигнал присутствует на заданной частоте. Дополнительным предостережением этого поиска является то, что измерения этих параметров остаются неточными. Для повышения чувствительности мы используем сетку возможных значений этих параметров, аналогичную рыболовной сети, и пытаемся уловить сигнал. С этой целью это самый исчерпывающий поиск, когда-либо выполненный с использованием скрытой марковской модели. Он должен был работать на суперкомпьютере примерно 6 месяцев, чтобы закончить!
РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ НА БУДУЩЕЕ
Убедительных свидетельств существования непрерывных гравитационных волн в этом поиске по данным третьего сеанса наблюдений (О3) обнаружено не было. Хотя наблюдалось несколько возможных сигналов, наиболее вероятным объяснением этого являются флуктуации шума фонового детектора, которые имитируют реальные сигналы.
Из этого анализа мы смогли установить верхние пределы сигнала, т. е. оценить амплитуду сигнала, которая была бы обнаружена при этом поиске, если бы сигнал присутствовал. Это был первый раз, когда скрытая марковская модель использовалась для поиска сигналов, которые для заданного диапазона частот находятся в пределах максимальных теоретических оценок для обнаружения. С таким уровнем чувствительности мы вступаем на неизведанную территорию. Несомненно, следующий запуск наблюдений, O4, с использованием более чувствительных детекторов и более продолжительного сбора данных, принесет новые захватывающие результаты для поиска непрерывных гравитационных волн от Scorpius X-
ГЛОССАРИЙ
- Нейтронная звезда : коллапс ядра звезды в конце ее эволюции, обычно с массой около 1,4 массы Солнца, но всего несколько километров в диаметре, что делает ее чрезвычайно плотным объектом!
- Мало массивная рентгеновская двойная система (LMXB) : Двойные системы, состоящие из донора, аккрецирующего вещество на своего компаньона, который обычно представляет собой компактный объект, такой как: белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра.
- Угол наклона : угол между плоскостью орбиты объекта и некоторой опорной плоскостью.
- Скрытая марковская модель : метод поиска сигналов, частота которых изменяется случайным образом.
- J-статистика : математический инструмент, который получает информацию из двоичного файла для преобразования необработанных данных интерферометра в вероятность присутствия сигнала на заданной частоте.
- Суперкомпьютер : набор взаимосвязанных компьютеров, который позволяет выполнять очень дорогостоящие вычислительные процедуры параллельно, значительно сокращая время выполнения.
- Верхний предел : максимальная сила гравитационных волн, которую наш поиск сможет обнаружить, с уровнем достоверности 95%. Другими словами, мы бы обнаружили сигнал с такой силой в 95 случаях из 100, если бы он существовал в данных.
