ЧТО ТАКОЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ?
С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году мы наблюдали множество событий гравитационных волн. Общим для всех этих событий является то, что они являются временными сигналами от слияния компактных объектов. Эти события включают в себя завихрение и слияние пар двойных черных дыр, пар или двойных нейтронных звезд и слияние нейтронной звезды и черной дыры. Сигналы гравитационных волн от этих событий характеризуются увеличением амплитуды и частоты за короткое время. Однако есть и другие формы гравитационных волн, которые мы ищем. Например, сигналы, создаваемые источниками, непрерывно излучающими гравитационные волны с относительно постоянной частотой и амплитудой.
ЧТО ТАКОЕ ПУЛЬСАРЫ (НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ)?
Кандидатом на роль таких непрерывных гравитационных волн являются нейтронные звезды, некоторые из которых видны с помощью электромагнитных наблюдений как пульсары. Когда звезда примерно в 8-20 раз массивнее Солнца израсходует свое топливо, она больше не сможет поддерживать себя и подвергнется мощному взрыву, называемому сверхновой. Нейтронная звезда — это то, что впоследствии останется от ядра звезды. Они невероятно плотные, представьте себе массу Солнца (~2x10 30кг) упаковывается в размер города (~10 км в радиусе). Мы ожидаем, что эти звезды будут очень жесткими, в отличие от более молодых звезд, таких как наше Солнце. Они также вращаются с очень высокой скоростью, иногда сотни раз в секунду (то есть с частотой вращения более 100 Гц), если они были ускорены аккрецией материала от звезды-компаньона в течение их жизни. Эта невероятная скорость соответствует их поверхности, движущейся со скоростью ~ 10% скорости света. Их быстрое вращение приводит в действие интенсивное электромагнитное излучение (в некоторых случаях от радио до гамма-лучей), испускаемое их магнитными полюсами в концентрированных лучах. Если луч в какой-то точке направлен на Землю и ось вращения нейтронной звезды смещена относительно ее полюсов, мы можем увидеть, как нейтронная звезда пульсирует, как маяк. Это привело к названию «пульсар».
Чтобы пульсар излучал гравитационные волны, он должен вращаться с некоторой асимметрией массы вокруг своей оси вращения (массовый квадруполь). Например, если пульсар имеет некоторую деформацию на своей коре, такую как «гора», это заставит его излучать гравитационные волны. Эти горы могли остаться от условий взрыва сверхновой, когда образовалась звезда, или могли быть вызваны во время жизни пульсара, например, в результате аккреции. Гора на пульсаре мало похожа на такие горы, как Эверест на Земле. Гравитация на поверхности пульсара настолько сильна, что, согласно нашим измерениям, любая гора больше нескольких сантиметров расплющилась бы под собственным весом. Эллиптичность- это способ описания степени деформации как доли радиуса звезды. Некоторые процессы под земной корой также могут вызывать излучение гравитационных волн, например, через сильное внутреннее магнитное поле.
КАК БУДУТ ВЫГЛЯДЕТЬ ВОЛНЫ?
В течение их жизни частота вращения пульсаров уменьшается. Это называется вращением вниз . Закон сохранения энергии утверждает, что для уменьшения энергии вращения она должна быть преобразована в какую-либо другую форму энергии. Если предположить, что вся потерянная угловая энергия преобразуется в энергию гравитационных волн, мы можем получить верхний предел амплитуды волны на детекторах на Земле. Это называется пределом замедления вращения . Когда наши поиски достигают чувствительности ниже этой, мы можем установить новые верхние пределы на амплитуду и могут даже наблюдать сами гравитационные волны. Однако другие механизмы, такие как магнитное дипольное излучение, также могут способствовать замедлению вращения, и поэтому мы ожидаем, что этот верхний предел будет завышенным.
Мы предполагаем определенные соотношения между частотой вращения пульсара (наблюдаемой по электромагнитному сигналу) и частотой излучаемых им гравитационных волн. В общем, мы ожидаем, что излучение гравитационных волн будет иметь удвоенную частоту вращения пульсара. Существуют также механизмы, которые могут вызывать эмиссию на самой частоте вращения. Например, свободная прецессия звезды, где меняется сама ее ось вращения, и сверхпроводящее ядро, вращающееся независимо от коры.
НАШ АНАЛИЗ
В ходе этого анализа был проведен поиск свидетельств гравитационных волн во втором и третьем циклах наблюдений LIGO / Virgo (называемых O2 и O3) как с частотой вращения, равной одной, так и с двойной частотой вращения пульсара. В поиск было включено 236 пульсаров, в том числе 74 пульсара, которые не были включены в предыдущий анализ первого и второго сеансов наблюдений. В двойных системах было 168 пульсаров и 161 пульсар с частотами выше 100 Гц, называемые миллисекундными пульсарами . Электромагнитные наблюдения из различных обсерваторий обеспечили измерения положения пульсара, частоты и частоты, которые использовались для отслеживания потенциальных сигналов гравитационных волн в данных с помощью процесса, называемого когерентным интегрированием.
Мы также представили новый метод поиска, предназначенный для обнаружения дипольного излучения, присутствующего в теории Бранса-Дикке . Теория Бранса-Дикке, основанная на принципе Маха, была предложена Карлом Брансом и Робертом Дикке . Основы этой теории были построены на предыдущей работе Паскуаля Джордана, а также Маркуса Фирца, и иногда ее также называют теорией Джордана-Фирца-Бранса Дикке. В общей теории относительности Эйнштейна константа связи между материей и пространством-временем определяется как G ( ньютоновская постоянная гравитации ). В теории Бранса — Дикке связь зависит также от параметра ζ через соотношение G(1 — ζ). Параметр Бранса-Дикке (ζ) получен экспериментально, а эксперимент Кассини в 2003 г. наложил ограничение ζ < 0,0000125. В общей теории относительности в гравитационном излучении преобладает изменяющийся во времени квадрупольный момент, а дипольное излучение запрещено из-за сохранения линейного импульса. С другой стороны, Бранс-Дикке также позволяет изменяющемуся во времени дипольному моменту генерировать гравитационные волны, как и в случае электромагнитной теории. Мы можем воспринимать квадрупольный момент как растяжение массы вокруг оси, тогда как дипольный момент дает распределение массы от точки в определенном направлении. Кроме того, в случае квадрупольного излучения
РЕЗУЛЬТАТЫ, ДОСТИЖЕНИЯ
С помощью обычных методов поиска или метода Бранса-Дикке не было обнаружено никаких свидетельств гравитационных волн ни от одного из пульсаров. Тем не менее, мы установили обновленные верхние пределы амплитуд сигналов и превзошли (получили пределы, меньшие) пределы вращения вниз для 23 пульсаров, 9 из которых сделали это впервые. В это число включены два миллисекундных пульсара: J0437-4715 и J0711-6830, а также J0537-6910, который не анализировался в этой работе, но в предыдущем анализе было обнаружено, что его вращение превышает предел. Это захватывающе, потому что большинство пульсаров, которые превышают скорость своего вращения, являются более молодыми пульсарами, так как они вращаются быстрее, что дает больше энергии, которая может быть преобразована в гравитационные волны. Более того, из-за более высоких частот низких гор достаточно, чтобы миллисекундные пульсары излучали наблюдаемые гравитационные волны. Итак, для этих пульсаров наши наблюдения дают очень жесткие ограничения на высоту гор в доли миллиметра. Для пульсара Краба мы улучшили пределы, рассчитанные в предыдущем анализе, рассчитав верхний предел как максимальный процент замедления вращения, вызванный гравитационными волнами, который составляет менее 0,009% (ранее ∼0,02%). Это означает, что большая часть замедления вращения вызвана другими механизмами. При эллиптичности 7,2х10 -6это соответствует максимальной высоте горы ~ 2 см (ранее ~ 3 см). Во время четвертого сеанса наблюдений — если нам повезет — мы, наконец, сможем наблюдать гравитационные волны, излучаемые пульсарами. Если нет, то мы сможем установить более строгие верхние границы для почти идеально гладких форм этих странных объектов.
ГЛОССАРИЙ
- LIGO : Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) представляет собой пару детекторов гравитационных волн в США. Один расположен недалеко от Ливингстона, штат Луизиана, а другой — недалеко от Хэнфорда, штат Вашингтон. Оба детектора представляют собой крупномасштабные лазерные интерферометры с двумя перпендикулярными плечами длиной 4 км, которые пытаются измерить любые изменения относительной длины плеча, вызванные проходящей гравитационной волной.
- Дева : детектор гравитационных волн, расположенный недалеко от Пизы в Италии. Как и LIGO, это лазерный интерферометр, но с плечами длиной 3 км.
- Эллиптичность : грубо говоря, это можно рассматривать как отношение между размером деформации, или «горой», Δr, по сравнению с радиусом звезды, r, поэтому ε ∼ Δr/r. Но технически это отношение разности между двумя перпендикулярными моментами инерции и третьим перпендикулярным, главным, моментом инерции.
- Чувствительность : описание способности детектора обнаруживать сигнал. Детекторы с более низким уровнем шума способны обнаруживать более слабые сигналы, и поэтому говорят, что они имеют более высокую (или большую) чувствительность.
- Замедление вращения : пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды, скорость вращения которых со временем уменьшается (эквивалентно увеличению периода вращения).
- Предел замедления вращения : ограничение, накладываемое на амплитуду гравитационных волн от пульсара, основанное на предположении, что вся кинетическая энергия вращения, теряемая звездой при вращении вниз, приходится на гравитационное излучение. Это предполагает точно известное расстояние до пульсара, тогда как в действительности расстояния до пульсара могут быть неопределенными примерно в два раза. Однако мы знаем, что есть и другие способы потери энергии пульсарами, причем основным предполагаемым механизмом является магнитное дипольное излучение.
- Прогон наблюдений : период наблюдения, в течение которого детекторы гравитационных волн собирают данные.
- Деформация : частичное изменение расстояния между двумя точками измерения из-за деформации пространства-времени проходящей гравитационной волной. Типичная деформация от гравитационных волн, достигающих Земли, очень мала (менее 10-23 по измерениям LIGO).
- Верхний предел : утверждение о максимальном значении, которое может иметь некоторое количество, при этом согласуясь с данными. Здесь интерес представляет собой максимальную собственную амплитуду деформации гравитационной волны данного непрерывного волнового сигнала, поступающего на Землю. Мы используем 95-процентный предел достоверности, т. е. при наличии данных существует 95-процентная вероятность того, что количество ниже этого предела.
- Характерный возраст : «возраст» пульсара, определяемый с использованием его текущей частоты и скорости вращения, а также предположения о механизме (ах), который замедляет его, т. Е. Через излучение гравитационных волн.
- Миллисекундный пульсар : быстро вращающийся пульсар с периодом вращения менее 30 миллисекунд и очень низкой скоростью замедления вращения.
- Переработанный пульсар : пульсар, который не обязательно может вращаться достаточно быстро, чтобы его можно было классифицировать как миллисекундный пульсар, но, как ожидается, приобрел свою высокую скорость вращения за счет аккреции вещества от звезды-компаньона.