ЧТО МЫ ИЩЕМ?
Вращающиеся нейтронные звезды являются главными целями в охоте за непрерывными гравитационными волнами (ГВ). В отличие от GW, которые наблюдались до сих пор, непрерывные GW являются длительными сигналами, которые должны постоянно появляться в данных наших детекторов; задача состоит в том, чтобы найти их. Было проведено множество поисков непрерывных GW с использованием данных LIGO и Virgo, но об обнаружении говорить не приходилось. Однако даже отсутствие обнаружения может рассказать нам кое-что очень интересное о нейтронных звездах.
В этой работе мы ищем непрерывные ГВ из определенной категории нейтронных звезд: аккрецирующих миллисекундных рентгеновских пульсаров (АМХП). Что такое АМХП? Давайте разберем это:
- Пульсары — это маяки Вселенной — это нейтронные звезды, излучающие лучи света. Когда пульсар вращается, мы видим импульс в нашем телескопе каждый раз, когда луч указывает на Землю.
- Аккрецирующие пульсары живут в двойной системе с другой звездой. Пульсар питается другой звездой, вытягивая материю своего компаньона на свою поверхность.
- Рентгеновские пульсары излучают рентгеновские импульсы. У AMXP есть время «вспышки», когда можно наблюдать рентгеновские импульсы, и время «затишья», когда рентгеновские импульсы либо не излучаются, либо слишком слабы, чтобы их можно было увидеть.
- Миллисекундные пульсары вращаются особенно быстро. Миллисекунда - это одна тысячная секунды. Самый быстро вращающийся AMXP — IGR J00291+5934, полный оборот которого занимает всего 1,7 миллисекунды. Это означает, что если бы вы стояли на поверхности, вы бы мчались со скоростью 15% скорости света (или около 45 000 км/с)!
Когда мы выполняем непрерывный поиск GW, полезно знать как можно больше об объекте, который мы ищем. В случае с AMXP рентгеновские наблюдения говорят нам о частоте вращения нейтронной звезды. Мы ожидаем, что непрерывная частота ГВ будет связана с частотой вращения, так что это поможет нам сфокусировать наш поиск. Также полезно знать некоторые подробности о двойной системе, в которой живет нейтронная звезда, например, период обращения двойной звезды и расстояние, на котором нейтронная звезда находится от своего компаньона. Опять же, рентгеновские наблюдения предоставляют эту информацию для AMXP.
Поскольку мы знаем, что AMXP аккрецирует, по крайней мере, время от времени, он, вероятно, излучает более сильный сигнал, чем нейтронная звезда, живущая сама по себе. Это связано с тем, что сила сигнала пропорциональна асимметрии нейтронной звезды. Аккреция может создать небольшие горы на поверхности нейтронной звезды, поскольку материал направляется магнитным полем на магнитные полюса. Аккреция также может заставить сверхтекучую жидкость внутри нейтронной звезды «выплескиваться» с характерной частотой, называемой «r-модой» или волной Россби .(аналогичные волны Россби также встречаются в атмосфере Земли и океане). Эти разные механизмы будут производить непрерывные ГВ с разной частотой вращения звезды. Для каждой цели мы ищем три частотных «поддиапазона» (небольшие полосы частот) в 1 и 2 раза больше частоты вращения (для гор нейтронных звезд) и в 4/3 раза больше частоты вращения (для r-мод).
КАК И ЧТО МЫ ИСКАЛИ?
В нашем исследовании мы искали непрерывные GW от 20 AMXP, все из которых имеют хорошо измеренные частоты вращения и информацию о бинарных орбитах, полученную из рентгеновских наблюдений. Четырнадцать из этих целей ранее не подвергались поиску непрерывных GW. Мы использовали данные LIGO из третьего запуска наблюдений, который длился с апреля 2019 года по март 2020 года. Поиск очень быстрый, на суперкомпьютер уходит менее суток . Если бы мы не знали точно частоту вращения и бинарную орбиту, поиск занял бы месяцы!
Однако знать частоту вращения нейтронной звезды недостаточно. На самом деле частота вращения может немного отклоняться со временем, возможно, из-за изменений в количестве вещества, аккрецируемого на нейтронную звезду. Наша техника поиска может отслеживать сигнал блуждающей частоты во времени и называется скрытой марковской моделью . Этот метод обеспечивает способ отслеживания блуждающего сигнала путем анализа данных отдельными фрагментами, каждый из которых длится 10 дней, а затем находит наиболее вероятный путь блуждающей частоты непрерывного сигнала гравитационной волны за все 11 месяцев данных.
Всякий раз, когда мы проводим поиск, мы должны опасаться возможности ложной тревоги: иногда шум может выглядеть как сигнал! Мы не хотим случайно подумать, что нашли сигнал, когда это была просто громкая шумовая флуктуация. Чтобы защититься от этой возможности, мы имитируем наш поиск, используя данные, которые, как мы знаем, не имеют сигнала, и смотрим, как часто мы получаем кандидатов. Затем эти симуляции преобразуются в порог обнаружения ., который говорит нам, насколько громким должен быть потенциальный кандидат в реальных данных, прежде чем мы сочтем его интересным. При установке порога мы должны оценить приемлемую вероятность ложной тревоги. Установите слишком низкую вероятность ложной тревоги, и вы уменьшите вероятность обнаружения истинного (но тихого) сигнала; установите его слишком высоко, и у вас будет слишком много кандидатов для отслеживания, большинство из которых будут просто шумом.
МЫ ЧТО-НИБУДЬ ВИДЕЛИ?
Когда мы устанавливаем нашу вероятность ложной тревоги на 1% для каждой цели и поддиапазона, мы не восстанавливаем никаких кандидатов выше порогового значения. Когда мы устанавливаем его на 30% на цель и поддиапазон, у нас есть 16 кандидатов выше порога, которые мы показываем на рисунке 2. Каждый AMXP имеет другой маркер, и каждый маркер отображается в соответствии с частотой, с которой мы его нашли, и « p - шум », вероятность того, что мы увидели бы кандидата с такой громкостью, если бы в данных был только шум. Если p - шум низкий, вероятность того, что кандидат является реальным астрофизическим сигналом, высока.
Для всех пяти кандидатов с p - шумом менее 0,1 мы проводим дополнительную проверку. Например, истинный сигнал громкий, даже если мы ищем его немного в стороне от положения цели в небе. Мы знаем, что истинные сигналы ведут себя так из симуляций ложных сигналов. Для получения подробной информации о том, как мы «наводим» детекторы, см. этот обзор другого непрерывного поиска волны. Эти наблюдения, однако, не предоставили никаких убедительных доказательств того, что любой из кандидатов представляет собой что-то иное, кроме громких шумовых колебаний.
ОБЛОМ! ЧТО ЭТО ЗНАЧИТ ДЛЯ БУДУЩЕГО?
Во-первых, если предположить, что мы ничего не видели, мы можем установить ограничения на размер гор на этих нейтронных звездах и количество «выплескивания» от r-мод, упомянутых ранее. Мы делаем это, вводя серию фальшивых сигналов разной силы в данные детектора и наблюдая, насколько хорошо мы можем их найти. Например, мы знаем, что любые горы на поверхности IGR J00291+5934 должны быть меньше 3 мм, иначе в результате нашего поиска мы бы обнаружили непрерывные ГВ. Мы знаем это, потому что мы ввели фальшивый сигнал, чтобы имитировать сигнал, который могла бы дать 3-миллиметровая гора на IGR J00291+5934, и мы смогли только обнаружить его.
Во-вторых, это означает, что мы должны продолжать поиски! Следующий запуск наблюдений будет еще более чувствительным, поскольку детекторы улучшаются за счет последовательных обновлений. Может оказаться, что кандидаты, которых мы здесь заметили, являются первыми признаками реального сигнала, и нам просто нужно немного больше данных, чтобы выделить его из шума.
ГЛОССАРИЙ:
- Нейтронная звезда : коллапс ядра мертвой звезды; обычно они примерно в 1,4 раза больше массы нашего Солнца, но имеют всего около 20 км в поперечнике, что делает их невероятно плотными.
- Непрерывная гравитационная волна : продолжительная форма гравитационного излучения.
- Двойная система : Два звездных объекта (например, звезды, нейтронные звезды, черные дыры) на орбитах друг вокруг друга.
- Сверхтекучесть : Особое состояние вещества, при котором жидкость течет без вязкости .
- Суперкомпьютер : множество компьютеров, соединенных вместе в сеть и позволяющих выполнять очень ресурсоемкие поиски и симуляции за дни, а не недели или годы.
- Скрытая марковская модель : когда вы считаете, что сигнал изменяется случайным образом и к нему добавляется случайный шум, этот метод является одним из способов попытаться найти сигнал, несмотря на шум.