Двойные инспирали и слияния компактных объектов

Когда два компактных объекта вращаются друг вокруг друга, излучение гравитационных волн неуклонно уменьшает их орбиту до тех пор, пока они не сольются; эти инспирали и слияния являются доминирующими сигналами, регистрируемыми наземными детекторами.

Definition

Двойная инспираль и слияние — это коалесценция двух компактных объектов, черных дыр или нейтронных звезд, которые сближаются по спирали из-за потери орбитальной энергии в виде гравитационных волн, производя характерный «чирикающий» сигнал, за которым следует слияние и затухание остатка.

Scope

Эта тема охватывает три фазы слияния компактной двойной системы: инспираль, слияние и затухание (ringdown), чирикающий сигнал возрастающей частоты и амплитуды, постньютоновское и численно-релятивистское моделирование формы волны, информацию, закодированную о массах, спинах и уравнении состояния нейтронных звезд, а также знаковые обнаружения слияний черных дыр и нейтронных звезд.

Core questions

• Каковы фазы инспирали, слияния и затухания (ringdown) коалесценции компактной двойной системы?
• Как форма волны используется для измерения масс и спинов объектов?
• Что показали первые обнаружения слияний черных дыр и нейтронных звезд?

Key concepts

• Инспираль, слияние, затухание (ringdown)
• Чирикающий сигнал и чирикающая масса
• Постньютоновское приближение
• Формы волн численной относительности
• Измерение спина и массы
• Килоновая и мульти-посланниковое последующее наблюдение

Key theories

Форма волны инспирали-слияния-затухания

Сигнал возрастает по частоте и амплитуде во время инспирали («чириканье»), достигает пика при слиянии и затухает по мере того, как остаток затухает до стационарной черной дыры, — последовательность, моделируемая путем комбинирования постньютоновской теории с численной относительностью.

Мульти-посланниковые слияния нейтронных звезд

Обнаружение двойной нейтронной звезды в 2017 году сопровождалось гамма-всплеском и оптической килоновой, что подтвердило, что слияния нейтронных звезд являются местами образования тяжелых элементов и положило начало мульти-посланниковой астрономии.

Clinical relevance

Обнаружения компактных двойных систем стали точным инструментом: они подтверждают существование и демографию черных дыр, проверяют общую теорию относительности через согласованность инспирали и затухания, ограничивают уравнение состояния нейтронных звезд и предлагают метод «стандартной сирены» для измерения скорости расширения Вселенной.

History

Десятилетия постньютоновской теории и прорывы в численной относительности 2005 года позволили заранее получить точные формы волн слияния; обнаружение GW150914 в 2015 году слияния черных дыр и слияние нейтронных звезд GW170817 в 2017 году, наблюдаемое во всем электромагнитном спектре, утвердили гравитационно-волновую астрономию как рутинную наблюдательную науку.

Key figures

• Kip Thorne
• Rainer Weiss
• Bernard Schutz
• Frans Pretorius

Seminal works

• abbott2016
• abbott2017

Frequently asked questions

Почему сигнал называется «чирикающим»?

По мере того как два объекта сближаются по спирали, они вращаются быстрее и излучают гравитационные волны возрастающей частоты и амплитуды, поэтому сигнал поднимается по высоте, как чириканье птицы при сдвиге в слышимый диапазон, резко обрываясь при слиянии.

Что сделало слияние нейтронных звезд в 2017 году таким важным?

Оно было обнаружено одновременно в гравитационных волнах и во всем электромагнитном спектре, что подтвердило, что такие слияния производят короткие гамма-всплески и образуют тяжелые элементы, такие как золото, а также предоставило независимое измерение скорости расширения Вселенной.