Астрофизические источники гравитационных волн Постнов, Константин Александрович

Введение к работе

Актуальность работы

Радиоастрономические наблюдения эволюции орбит двойных пульсаров, проведенные за последние 20 лет, в настоящее время общепризнанно являются прямым подтверждением существования гравитационных волн, предсказываемых общей теорией относительности (см. Нобелевскую лекцию Дж. Тейлора [27]). Начиная с середины 1980-х годов, экспериментальное детектирование гравитационных волн перестает быть предметом исследования отдельных экспериментальных групп и приобретает форму крупных дорогостоящих международных проектов с применением новейших технологий, в которые оказываются вовлеченные целые институты и лаборатории. Большие надежды возлагаются на многокилометровые лазерные интерферометры типа LIGO, VIRGO, GEO-600, ТАМА-300, первая очередь которых с чувстительностью к амплитудам вариаций метрики на уровне h_rms = 10~²¹ на частоте 100 Гц должна вступить в строй к 2000 г (см. [15]). В связи с этими фундаментальными проектами встает вопрос о всевозможных астрофизических источниках гравитационных волн, которые при данном уровне чувствительности детекторов могут быть зарегистрированы за разумное время наблюдений (обычно говорят о непрерывном времени работы детектора 1 год).

Теоретические работы по астрофизическим источникам гравитационных волн ведутся по двум большим направлениям. Во-первых, требуется понять какие именно источники, на какой частоте и с каким характерным временем между последовательными событиями (иначе, с частотой появления) можно ожидать на данном уровне чувствительности. Во-вторых, для наиболее вероятных источников требуется как можно более детально рассчитать ожидаемую форму сигнала, что диктуется предполагаемой методикой поиска слабого сигнала на фоне сильных шумов детектора (оптимальная фильтрация, хорошо известная в радиофизике). Наиболее перспективными источ-

никами гравитационных волн с точки зрения их регистрации лазерными интерферометрами типа LIGO в частотном диапазоне 10-1000 Гц считаются сливающиеся двойные компактные звезды - двойные нейтронные звезды или черные дыры, и коллапсы ядер массивных звезд, наблюдаемые как сверхновые типа II и lb. Оценки галактической частоты слияний двойных нейтронных-звезд, выводимые из наблюдаемой статистики двойных радиопульсаров (см. последнюю работу на эту тему [29] и ссылки там) дают'8 х Ю^-6 в год, в то время как теоретические оценки этой частоты, получаемые из анализа теории звездной эволюции, дают в среднем на порядок более высокие темпы слияний: Ю^-4—Зх 10~⁵ в год (например, [7], [18], [13], [6], [9]), хотя следует заметить, что разрыв между двумя группами оценок постепенно уменьшается [11]. Частота слияний двойных систем с черными дырами оценивается с гораздо меньшей точностью, поскольку наблюдателям такие системы пока неизвестны, а в теории образования черных дыр звездной массы гораздо больше неопределенностей по сравнению с теоретическими представлениями о формировании двойных нейтронных звезд.

Ситуация со сверхновыми как источниками гравитационных волн носит в каком-то смысле обратный характер: из астрономических наблюдений более или менее надежно выводятся частоты этих событий, а вот форма и амплитуда возможного ГВ-сигнала известна с точностью до нескольких порядков величины.

Кроме перечисленых выше наземных ГВ-экспериментов в диапазоне частот 10-1000 Гц, планируется постройка космического лазерного интерферометра LISA, чувствительного к ГВ-сигналу на более низких частотах Ю^-4 — Ю^-1 Гц .¹. Поскольку лазерные интерферометры являются широкополосными детек-

¹LISA - проект, разрабатываемый под эгидой Европейского Космического Агенства; NASA независимо разрабатывает аналогичный проект OMEGA силами Jet Propulsion Laboratory

торами А/ ~ /, при наблюдениях на частоте / в их диапазоне чувствительности может оказаться много независимых источников и сигнал от них будет носить характер шума. Наиболее интересный с точки зрения фундаментальной физики является реликтовый ГВ-фон, несущий информацию о процессах в самой ранней Вселенной (см. [1], [2]), поэтому важно знать, на каких частотах в диапазоне чувствительности LISA фон от галактических и внегалактических двойных систем оказывается ниже порога чувствительности интерферометра LISA и тем самым не вносит добавочного шума (при наблюдении на двух независимых интерферометрах от внешнего шума можно отстроиться, коррелируя сигналы с двух детекторов, но это не так в случае одного интерферометра LISA).

Изложенные соображения делают исследования указанных источников гравитационных волн (в первую очередь, сливающихся компактных двойных звезд и сверхновых), а также поиск новых источников ГВ, актуальной задачей современной астрофизики. То же относится к исследованию ГВ-фона от неразрешенных астрофизических источников.

Цели настоящей работы, которая выполнялась в основном в течение 1993-1997 гг., состояли в (а) исследовании частоты встречаемости слияний двойных нейтронных звезд и черных дыр в области Вселенной, из которой возможна регистрация ГВ-сигналов на уровне чувствительности первых лазерных интерферометров типа LIGO, VIRGO, GEO-600 h_rms = 10~²¹ на частоте 100 Гц, (б) поиске новых астрофизически значимых источников ГВ и (в) изучении ГВ-фонов от совокупности неразрешенных астрофизических источников, имеющих характер шума.

В диссертации решались следующие задачи: (1) Определение частот слияний релятивистских компактных двойных звезд (нейтронных звезд и черных дыр) в Галактике методом популяционного синтеза двойных звезд в рамках

различных сценариев звездной эволюции для различных параметров эволюции звезд и образования компактных остатков.

(2) Определение числа детектируемых слияний различных
типов релятивистских двойных звезд при непрерывном наблю
дении в течение года на лазерных интерферометрах типа пер
вой очереди LIGO с чувствительностью h_rms = Ю^-21 на ча
стоте 100 Гц в зависимости от параметров звездной эволюции.

1. Получение эмпирического ограничения на эффективность излучения гравитационных волн при коллапсах ядер массивных звезд (вспышках сверхновых типа II и lb) из наблюдаемого распределения скоростей радиопульсаров.

2. Поиск новых возможных источников гравитационных волн, в частности, связанных с анизотропным излучением нейтрино в астрофизических объектах.

3. Исследование стохастического фона гравитационных волн, генерируемых астрофизическими источниками, неразрешаемыми при наблюдениях широкополосными гравитационно-волновыми детекторами.

Структура и объем диссертации