Нейтронные звезды (НС) являются результатом взрыва сверхновой, остатком бывшей звезды с массой от 10 до 25 масс Солнца. Эти компактные объекты имеют типичный радиус 10 км и массу, подобную массе нашего Солнца, что делает НЗ одной из самых экстремальных сред, в которых материя когда-либо наблюдалась. В настоящее время структура и состав этих компактных объектов является активной и междисциплинарной областью исследований, объединяющей усилия физиков элементарных частиц и астрофизических сообществ.
Чрезвычайная компактность (или плотность) этих объектов делает их интересной лабораторией для проверки релятивистских эффектов, таких как излучение гравитационного излучения. Действительно, детекторы Advanced LIGO и Advanced Virgo успешно зафиксировали несколько событий гравитационных волн, связанных с слиянием двух НЗ . Одно из этих обнаружений, GW170817 , даже сопровождалось электромагнитным аналогом, что привело к первому в истории обнаружению астрофизического события с несколькими мессенджерами с помощью гравитационных волн и света.
Непрерывные гравитационные волны (НВ) — еще один канал, по которому можно исследовать внутреннюю структуру быстро вращающихся НЗ. Предполагается, что NS могут выдерживать отклонения относительно симметричной формы либо из-за несовершенства внешней коры, колеблющегося возмущения внутренней структуры, либо из-за свободной прецессии из-за несоосности между осями симметрии и вращения. При быстром вращении НЗ такие деформации будут давать гравитационное излучение в виде КС. Эта форма гравитационного излучения на несколько порядков слабее тех, которые образуются при слиянии компактных объектов; однако они длятся в течение длительных периодов времени (от месяцев до лет), что позволяет интегрировать длинные потоки данных для накопления большого отношения сигнал/шум.
Поиски этого типа сигналов делятся в зависимости от того, что известно о потенциальных источниках. Например, целевые поиски сосредоточены на НС, для которых положение на небе и частота вращения известны с помощью электромагнитных средств, в то время как направленные поиски указывают на определенные участки неба, где может быть обнаружена неизвестная НС. Мы представляем результаты поиска по всему небу, что означает, что мы ищем CW-сигналы, исходящие от совершенно неизвестных NS, идущих с любого направления в небе. В частности, мы сосредоточимся на неизвестных NS в двойных системах .
Ожидаемый сигнал от изолированных NS представляет собой длительную волну, частота которой медленно уменьшается из-за излучения энергии различными способами, такими как электромагнитное или гравитационное излучение. Этот эффект замедления вращения достаточно медленный, чтобы им можно было пренебречь, учитывая популяцию NS, рассматриваемую в этом поиске. С точки зрения детектора на Земле сигнал представляет собой частотную модуляцию, обусловленную суточным вращением и орбитальным движением нашей планеты. Этот сигнал еще больше усложняется для НЗ в бинарной системе, так как тогда необходимо учитывать вторую доплеровскую модуляцию из-за относительного движения источника вокруг тела-компаньона.
В этом поиске мы применяем вариант преобразования Хафа , называемый Binary Sky Hough, который работает с использованием спектрограммы данных. Эта спектрограмма предоставляет информацию о том, какие частоты являются наиболее заметными в данных по ходу наблюдения. Основная идея состоит в том, что сигнал CW будет проявляться как избыток мощности на спектрограмме, модулирующей очень специфическим образом. Мы можем описать эти треки мощности, используя набор параметров, связанных с физическими свойствами источника. рассматривается, например, его частота вращения или его положение на небе; следовательно, поиск CW заключается в выявлении значительных следов мощности в данных.
Из-за включения параметров бинарной орбиты, которые описывают форму бинарной орбиты, нам приходится искать больше параметров, чем при поиске одиночных NS. Это создает проблему для типичных алгоритмов поиска, поскольку вычислительные затраты легко становятся непосильными. В этом случае задачу можно разбить на множество похожих, более мелких задач, а поиск можно ускорить с помощью графических процессоров (GPU), которые параллельно решают большое количество этих подзадач.
Мы используем данные начала третьего сеанса наблюдений детекторов Advanced LIGO и Advanced Virgo, охватывающего данные за шесть месяцев с апреля по сентябрь 2019 г., для поиска КС от неизвестных НЗ в неизвестных двойных системах в наиболее чувствительном диапазоне детекторов. Мы не находим доказательств существования сигналов CW. В результате мы оцениваем чувствительность нашего поиска, изучая восстановление совокупности смоделированных сигналов. Эта чувствительность изначально выражается в терминах самой слабой амплитуды GW, обнаруживаемой нашим конвейером. Мы получили лучшую на сегодняшний день чувствительность для анализируемого пространства параметров с самой слабой обнаруживаемой амплитудой на 60% ниже, чем в предыдущих оценках.
Мы интерпретируем эти результаты с точки зрения ответа на два интересных с астрофизической точки зрения вопроса, а именно, как далеко от Земли наш поиск смог исследовать, и какова максимальная деформация, допустимая для источника CW в пределах диапазона, исследуемого нашим поиском. Как отмечалось ранее, мы рассматриваем источники CW с пренебрежимо малым вращением. Другими словами, если уравновешивающие механизмы отсутствуют, заштрихованные области исключаются из наших результатов, поскольку они подразумевают более высокие скорости замедления вращения, чем те, которые охвачены этим поиском.аккреция вещества из тела-компаньона. Эти результаты показывают возрастающее улучшение детекторов Advanced LIGO и Advanced Virgo по мере того, как они достигают проектной чувствительности, что позволяет нам приближаться к верхним границам свойств NS все ближе и ближе к теоретическим ожиданиям.
ГЛОССАРИЙ
- Нейтронная звезда : Остаток процесса сверхновой, которому подверглась звезда с массой от 10 до 25 масс нашего Солнца. Типичные нейтронные звезды имеют массу около 1-2 масс Солнца и радиус 10-15 километров, являясь одними из самых компактных объектов, когда-либо обнаруженных.
- Непрерывная гравитационная волна : продолжительная форма гравитационного излучения.
- Эллиптичность : мера того, насколько тело далеко от сферической формы, определяется как относительная деформация в экваториальной плоскости по отношению к деформации в перпендикулярном направлении.
- Скорость вращения : Скорость, с которой вращающаяся нейтронная звезда замедляется из-за излучения энергии через электромагнитные или гравитационные волны.
- Доплеровский сдвиг : изменение частоты волны из-за относительного движения источника и наблюдателя.
- Двойная система : Пара астрономических объектов, связанных вместе их гравитационным притяжением.
- Преобразование Хафа : алгоритм для определения хорошо описанных форм на изображениях, таких как те, которые описываются спектрограммой.
- Спектрограмма : визуальное представление частотного состава временного ряда.
- Графический процессор (GPU): специализированное оборудование, предназначенное для обработки данных с использованием массивного распараллеливания.
- Аккреция : перенос вещества между двумя вращающимися телами под действием силы тяжести.
- Килопарсек (кпк): тысяча парсеков. Парсек — астрономическая единица длины, соответствующая примерно 3 световым годам или 30 триллионам километров.
