Решение загадки нейтронных звезд

До настоящего времени представлялось невозможным измерить гравитационные волны, предсказанные теорией общей относительности Эйнштейна. Они настолько слабы, что просто «теряются» среди шума других данных. Все же благодаря последним симуляциям слияния бинарных нейтронных звезд структура искомых сигналов стала известной.

Как пишет в журнале «Физический Обзор» (Physical Review) группа немецких и японских физиков-теоретиков, гравитационные волны имеют характерный спектр, напоминающий спектральные линии атомов.

Гравитационные волны возникают при ускорении массы. Первое непрямое доказательство их существования было получено в 1974 году, когда в созвездии Орла был обнаружен бинарный пульсар под названием PSR B1913+16. В нем две быстро вращающиеся нейтронных звезды приближаются друг к другу по спиральной траектории. Такое движение, как объясняют физики, непременно ведет к потере энергии и эмиссии гравитационных волн.

Рассел Халс и Джозеф Тэйлор за это открытие получили в 1993 году Нобелевскую премию. Сейчас же находятся в фазе реализации несколько экспериментов по обнаружению гравитационных волн: американский эксперимент LIGO (лазерный гравитационно-волновой интерферометр), европейский интерферометр Virgo (Дева) и японский детектор KAGRA (Детектор Гравитационных Волн Камиока). Эксперты прогнозируют, что первые сигналы гравитационных волн, идущих от сталкивающих нейтронных звезд, будут обнаружены в течение следующих пяти лет.

Профессор Лучиано Реццолла из Института Теоретической Физики (Университет Гете) называет основной проблемой фиксации таких сигналов их чрезвычайно низкую амплитуду. Вместе с коллегой из Университета Осаки (Япония) он изучил немалое количество бинарных нейтронных систем, установив, что слияние звезд генерирует характерный для гравитационных волн спектр. Этот спектр соответствует (по крайней мере, логически) электромагнитным спектральным линиям, эмитируемым атомами или молекулами. Исходя их этого, можно извлечь данные о характеристиках звезд.

По мнению астрофизиков, спектр гравитационных волн представляет собой что-то наподобие «отпечатка пальцев» двух звезд. Если ученые узнают, как толковать этот спектр, им станет известен состав нейтронных звезд, а также уравнение состояния объектов, остающееся пока неизвестным.

Уравнение состояния описывает термодинамические свойства системы как функцию переменных (давление, температура, объем, число частиц). Если оно станет известно применительно к нейтронным звездам, исследователи будут располагать всем необходимым для решения 40-летней загадки, – из чего состоят эти объекты и какова их структура.

Реццолла предполагает, что сильный сигнал обеспечит четкий отпечаток, после чего единственного измерения будет достаточно, чтобы вывести уравнение.