Предвестник
Трое американских физиков в небольшой статье представили результаты компьютерного моделирования процесса слияния нейтронной звезды (НЗ) с черной дырой (ЧД).
Деформация черной дырой (показана черным) магнитного поля нейтронной звезды (показана красным) в ходе их сближения при разных начальных параметрах системы. Линии магнитного поля показаны желтым и белым. Иллюстрация Paschalidis el al.
Они изучали ту стадию этого явления, когда оба объекта еще только падают друг на друга и черная дыра находится внутри сильного магнитного поля нейтронной звезды. Своей гравитацией дыра несколько изменяет структуру магнитного поля звезды, что в результате, как выяснили авторы, приводит к достаточно мощной вспышке электромагнитного излучения.
Такая вспышка будет предшествовать собственно слиянию этих экзотических объектов и, возможно, окажется характерной особенностью всего явления.
Вообще, при всей своей, казалось бы, экзотичности, явление слияния компактных объектов привлекает исследователей уже давно и не зря.
И нейтронные звезды, и черные дыры являются остатками звездной эволюции. Когда в ядре достаточно массивной звезды заканчивается термоядерное топливо, «котел» остывает, давление падает и уже не может противостоять самогравитации, стремящейся стянуть ядро, «в перспективе», в точку.
Это приводит к его коллапсу (часто сопровождаемому вспышкой сверхновой), который может либо остановиться на стадии нейтронной звезды (шарика диаметром 20 километров, с массой в полтора раза больше солнечной и сильнейшим магнитным полем), либо, если масса ядра очень велика, превратиться в черную дыру. В рамках такого механизма из обычной двойной звезды, каждый компонент которой достаточно массивен, может образоваться пара НЗ-ЧД.
Далее, общая теория относительности говорит нам, что оба остатка, обращаясь вокруг общего центра масс, должны понемногу терять свою энергию, которая будет уноситься в виде излучения гравитационных волн.
Вследствие этого среднее расстояние между объектами будет постепенно уменьшаться, и в конце концов они упадут друг на друга, «сольются», чему будет сопутствовать особенно сильный всплеск гравитационного излучения. Неудивительно, что в своих попытках обнаружить последнее экспериментально физики весьма рассчитывают на подобные экзотические события.
Поэтому физики не перестают изучать природные явления, связанные с гравитационными волнами, теоретически. Ведь для более уверенного их поиска необходимо лучше понимать, что же именно мы ищем. Какими свойствами будет обладать реальный природный сигнал? Будет ли ему сопутствовать электромагнитное излучение (попросту - вспышка света)? Если да, то какая? Подобная вспышка, зарегистрированная обычными телескопами, позволила бы лучше определить направление, из которого пришел всплеск, а значит, возможно, и расстояние до источника и его природу.
Если коротко, то гравитационные волны - это колебания кривизны пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Их существование предсказывает общая теория относительности. Представьте себе растянутый на весу кусок материи типа скатерти.
Если в его центр положить тяжелый предмет, то материя прогнется и шарик, положенный рядом, будет стремиться скатиться к этому центральному телу. Именно так, по современным представлениям, работает гравитация. Здесь растянутая скатерть - это пространство.
Если на «скатерти» ничего не лежит, то говорят что пространство пусто и имеет «плоскую» геометрию. Любая же масса искривляет пространство рядом с собой, что заставляет окружающую материю к ней «скатываться», то есть притягиваться. Волны, которые побегут по скатерти, если потрясти за один из ее концов, в такой аналогии и будут аналогом гравитационных волн.
Сегодня уже построены и работают большие экспериментальные установки («гравитационно-волновые телескопы») для их поиска и изучения - такие, как американский LIGO или европейский VIRGO. Однако пока какого-либо значимого сигнала зарегистрировано не было.
Все это, собственно, и породило ту маленькую задачу, которую решили американские физики. Одну из многих в исследовании явлений, связанных с компактными остатками звездной эволюции. (К слову, слияние последних отчасти претендует и на объяснение природы так называемых коротких всплесков гамма-излучения, которые время от времени фиксируются космическими телескопами.)
Решение этой задачи было найдено при помощи компьютерного моделирования - одного из основных методов изучения сложных природных явлений. Компьютеры сегодня позволяют виртуально воссоздать изучаемое явление, провести своего рода виртуальный эксперимент.
Надо лишь создать программу, которая шаг за шагом рассчитывает эволюцию той или иной физической системы во времени согласно заложенной математической модели. Результаты работы такой программы суть значения физических параметров, которые интересуют «экспериментатора». Это могут быть и скорости, и распределения масс, и величины электромагнитных и гравитационных полей.
В данном же случае авторов интересовало излучение света в ходе сближения НЗ и ЧД - его яркость, длительность, распределение по направлениям. Моделирование показало, что такая вспышка действительно будет иметь место, причем ее светимость будет в миллиарды раз превосходить светимость нашего Солнца. Правда, длиться она будет, скорее всего, менее секунды.
Другой важный момент заключается в том, что длина волны такого излучения будет настолько велика, что в чистом виде оно не дойдет до наблюдателя, а будет по дороге рассеяно межзвездной средой или даже скорее веществом в непосредственной близости от сливающейся системы.
Но пропасть такое количество энергии не сможет, и будет шанс все же что-то зафиксировать нашими телескопами. Тем более что уже планируется установить на МКС несколько астрономических телескопов, в том числе специально для параллельного изучения источников всплесков гравитационных волн в оптическом диапазоне.
lenta.ru
------------------------------------------------
Еще по теме:
Для пользы дела
Беспокойные соседи
Фабрика звезд
Далекий древний космос
Галактическое коварство
Все самое интересное о космос здесь - ru_deep_space
Деформация черной дырой (показана черным) магнитного поля нейтронной звезды (показана красным) в ходе их сближения при разных начальных параметрах системы. Линии магнитного поля показаны желтым и белым. Иллюстрация Paschalidis el al.
Они изучали ту стадию этого явления, когда оба объекта еще только падают друг на друга и черная дыра находится внутри сильного магнитного поля нейтронной звезды. Своей гравитацией дыра несколько изменяет структуру магнитного поля звезды, что в результате, как выяснили авторы, приводит к достаточно мощной вспышке электромагнитного излучения.
Такая вспышка будет предшествовать собственно слиянию этих экзотических объектов и, возможно, окажется характерной особенностью всего явления.
Вообще, при всей своей, казалось бы, экзотичности, явление слияния компактных объектов привлекает исследователей уже давно и не зря.
И нейтронные звезды, и черные дыры являются остатками звездной эволюции. Когда в ядре достаточно массивной звезды заканчивается термоядерное топливо, «котел» остывает, давление падает и уже не может противостоять самогравитации, стремящейся стянуть ядро, «в перспективе», в точку.
Это приводит к его коллапсу (часто сопровождаемому вспышкой сверхновой), который может либо остановиться на стадии нейтронной звезды (шарика диаметром 20 километров, с массой в полтора раза больше солнечной и сильнейшим магнитным полем), либо, если масса ядра очень велика, превратиться в черную дыру. В рамках такого механизма из обычной двойной звезды, каждый компонент которой достаточно массивен, может образоваться пара НЗ-ЧД.
Далее, общая теория относительности говорит нам, что оба остатка, обращаясь вокруг общего центра масс, должны понемногу терять свою энергию, которая будет уноситься в виде излучения гравитационных волн.
Вследствие этого среднее расстояние между объектами будет постепенно уменьшаться, и в конце концов они упадут друг на друга, «сольются», чему будет сопутствовать особенно сильный всплеск гравитационного излучения. Неудивительно, что в своих попытках обнаружить последнее экспериментально физики весьма рассчитывают на подобные экзотические события.
Поэтому физики не перестают изучать природные явления, связанные с гравитационными волнами, теоретически. Ведь для более уверенного их поиска необходимо лучше понимать, что же именно мы ищем. Какими свойствами будет обладать реальный природный сигнал? Будет ли ему сопутствовать электромагнитное излучение (попросту - вспышка света)? Если да, то какая? Подобная вспышка, зарегистрированная обычными телескопами, позволила бы лучше определить направление, из которого пришел всплеск, а значит, возможно, и расстояние до источника и его природу.
Если коротко, то гравитационные волны - это колебания кривизны пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Их существование предсказывает общая теория относительности. Представьте себе растянутый на весу кусок материи типа скатерти.
Если в его центр положить тяжелый предмет, то материя прогнется и шарик, положенный рядом, будет стремиться скатиться к этому центральному телу. Именно так, по современным представлениям, работает гравитация. Здесь растянутая скатерть - это пространство.
Если на «скатерти» ничего не лежит, то говорят что пространство пусто и имеет «плоскую» геометрию. Любая же масса искривляет пространство рядом с собой, что заставляет окружающую материю к ней «скатываться», то есть притягиваться. Волны, которые побегут по скатерти, если потрясти за один из ее концов, в такой аналогии и будут аналогом гравитационных волн.
Сегодня уже построены и работают большие экспериментальные установки («гравитационно-волновые телескопы») для их поиска и изучения - такие, как американский LIGO или европейский VIRGO. Однако пока какого-либо значимого сигнала зарегистрировано не было.
Все это, собственно, и породило ту маленькую задачу, которую решили американские физики. Одну из многих в исследовании явлений, связанных с компактными остатками звездной эволюции. (К слову, слияние последних отчасти претендует и на объяснение природы так называемых коротких всплесков гамма-излучения, которые время от времени фиксируются космическими телескопами.)
Решение этой задачи было найдено при помощи компьютерного моделирования - одного из основных методов изучения сложных природных явлений. Компьютеры сегодня позволяют виртуально воссоздать изучаемое явление, провести своего рода виртуальный эксперимент.
Надо лишь создать программу, которая шаг за шагом рассчитывает эволюцию той или иной физической системы во времени согласно заложенной математической модели. Результаты работы такой программы суть значения физических параметров, которые интересуют «экспериментатора». Это могут быть и скорости, и распределения масс, и величины электромагнитных и гравитационных полей.
В данном же случае авторов интересовало излучение света в ходе сближения НЗ и ЧД - его яркость, длительность, распределение по направлениям. Моделирование показало, что такая вспышка действительно будет иметь место, причем ее светимость будет в миллиарды раз превосходить светимость нашего Солнца. Правда, длиться она будет, скорее всего, менее секунды.
Другой важный момент заключается в том, что длина волны такого излучения будет настолько велика, что в чистом виде оно не дойдет до наблюдателя, а будет по дороге рассеяно межзвездной средой или даже скорее веществом в непосредственной близости от сливающейся системы.
Но пропасть такое количество энергии не сможет, и будет шанс все же что-то зафиксировать нашими телескопами. Тем более что уже планируется установить на МКС несколько астрономических телескопов, в том числе специально для параллельного изучения источников всплесков гравитационных волн в оптическом диапазоне.
lenta.ru
------------------------------------------------
Еще по теме:
Для пользы дела
Беспокойные соседи
Фабрика звезд
Далекий древний космос
Галактическое коварство
Все самое интересное о космос здесь - ru_deep_space