11 февраля 2016 г. ученые Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) объявили о первом обнаружении гравитационных волн. Эта разработка, которая подтвердила предсказание, сделанное Эйнштейновской теорией общей теории относительности сто лет назад, открыла новые направления исследований для космологов и астрофизиков. С того времени было сделано больше обнаружений, все из которых, как говорили, были результатом слияния черных дыр.
Однако, по словам группы астрономов из Глазго и Аризоны, астрономам не нужно ограничиваться обнаружением волн, вызванных массовыми гравитационными слияниями. Согласно недавно проведенному исследованию, сеть детекторов гравитационных волн Advanced LIGO, GEO 600 и Virgo также может обнаруживать гравитационные волны, создаваемые сверхновой. При этом астрономы смогут впервые увидеть внутри коллапсирующих звезд.
Недавно было опубликовано исследование под названием «Определение механизма взрыва сверхновой с коллапсом ядра с помощью трехмерного моделирования гравитационных волн». Команда под руководством Джейд Пауэлл, которая недавно закончила докторскую диссертацию в Институте гравитационных исследований Университета Глазго, доказывает, что текущие эксперименты с гравитационными волнами должны быть в состоянии обнаруживать волны, создаваемые Core Collapse Supernovae (CSNe).
Иначе известные как сверхновые типа II, CCSNe - это то, что происходит, когда массивная звезда достигает конца своей жизни и испытывает быстрый коллапс. Это запускает массивный взрыв, который сдувает внешние слои звезды, оставляя позади оставшуюся нейтронную звезду, которая может в конечном счете стать черной дырой. Чтобы звезда потерпела такой коллапс, она должна быть не менее 8 раз (но не более 40-50 раз) массой Солнца.
Когда происходят эти типы сверхновых, считается, что нейтрино, образующиеся в ядре, передают гравитационную энергию, выделяемую в результате коллапса ядра, в более холодные внешние области звезды. Доктор Пауэлл и ее коллеги считают, что эта гравитационная энергия может быть обнаружена с использованием существующих и будущих приборов. Как они объясняют в своем исследовании:
«Хотя в настоящее время детекторы гравитационных волн не обнаружили CCSNe, предыдущие исследования показывают, что усовершенствованная сеть детекторов может быть чувствительна к этим источникам вплоть до Большого Магелланова Облака (LMC). CCSN был бы идеальным источником нескольких мессенджеров для aLIGO и AdV, так как можно было бы ожидать нейтринные и электромагнитные аналоги сигнала. Гравитационные волны испускаются из глубины ядра CCSNe, что позволяет измерять астрофизические параметры, такие как уравнение состояния (EOS), на основе восстановления сигнала гравитационной волны ».
Доктор Пауэлл и ее коллеги также описывают процедуру в своем исследовании, которая может быть реализована с использованием модели доказательства сверхновых (SMEE). Затем команда провела симуляции с использованием новейших трехмерных моделей сверхновых звезд с гравитационно-волновым коллапсом, чтобы определить, можно ли устранить фоновый шум, и сделать правильное обнаружение сигналов CCSNe.
Как доктор Пауэлл объяснил журналу Space по электронной почте:
«Экстрактор модели сверхновой (SMEE) - это алгоритм, который мы используем для определения того, как сверхновые получают огромное количество энергии, необходимой им для взрыва. Он использует байесовскую статистику, чтобы различать различные возможные модели взрыва. Первая модель, которую мы рассматриваем в статье, состоит в том, что энергия взрыва исходит от нейтрино, испускаемых звездой. Во второй модели энергия взрыва исходит от быстрого вращения и чрезвычайно сильных магнитных полей ».
Исходя из этого, команда пришла к выводу, что в сети с тремя детекторами исследователи могли правильно определить механику взрыва для быстро вращающихся сверхновых в зависимости от их расстояния. На расстоянии 10 килопарсек (32 615 световых лет) они смогут обнаруживать сигналы CCSNe со 100% точностью и сигналы в 2 килопарсека (6523 световых года) с точностью 95%.
Другими словами, если и когда сверхновая возникнет в локальной галактике, глобальная сеть, сформированная детекторами гравитационных волн Advanced LIGO, Virgo и GEO 600, будет иметь отличные шансы на ее обнаружение. Обнаружение этих сигналов также позволило бы создать некоторую новаторскую науку, позволяющую ученым впервые «увидеть» взрывающиеся звезды. Как объяснил доктор Пауэлл:
«Гравитационные волны испускаются из глубины ядра звезды, куда не может уйти никакое электромагнитное излучение. Это позволяет обнаружению гравитационной волны сообщать нам информацию о механизме взрыва, которую нельзя определить другими методами. Мы также можем определить другие параметры, такие как скорость вращения звезды ».
Доктор Пауэлл, недавно закончившая работу над своей докторской диссертацией, также займет пост постдока в Центре передового опыта по исследованию гравитационных волн (OzGrav), программе гравитационных волн, организованной Университетом Суинберн в Австралии. В то же время она и ее коллеги будут проводить целевые поиски сверхновых, которые произошли в течение первых и секунд продвинутых наблюдений.
Хотя на данный момент нет никаких гарантий, что они найдут искомые сигналы, которые продемонстрировали бы, что сверхновые обнаружимы, у команды большие надежды. И учитывая возможности, которые это исследование имеет для астрофизики и астрономии, они едва ли одиноки!
