Источники гравитационных волн

Гравитационные волны генерируются ускоряющимися, несферическими распределениями массы; наиболее мощными астрофизическими источниками являются сливающиеся компактные двойные системы, но сверхновые, вращающиеся нейтронные звезды и ранняя Вселенная также излучают гравитационные волны.

Definition

Источник гравитационных волн — это любая система, распределение массы-энергии которой имеет изменяющийся во времени квадрупольный (или более высокого порядка) момент, излучающий гравитационное излучение; каноническими источниками являются двойные системы компактных объектов, орбитальное движение которых производит сильные, предсказуемые волновые формы.

Scope

Эта тема охватывает квадрупольную природу гравитационного излучения, основные классы источников, слияния компактных двойных систем, вращающиеся деформированные нейтронные звезды (непрерывные волны), асимметричный коллапс сверхновых (всплески) и стохастический фон от множества неразрешенных источников или ранней Вселенной, а также характерные частоты и интенсивности, которые определяют, какие детекторы могут их наблюдать.

Core questions

• Почему только несферические, ускоряющиеся системы излучают гравитационные волны?
• Каковы основные категории астрофизических источников гравитационных волн?
• Как свойства источника определяют частотный диапазон, в котором они могут быть обнаружены?

Key concepts

• Квадрупольный момент массы
• Слияние компактных двойных систем
• Непрерывные волны от нейтронных звезд
• Источники всплесков (сверхновые)
• Стохастический фон
• Частотные диапазоны источников

Key theories

Квадрупольное излучение

Гравитационные волны излучаются в первом порядке через изменение квадрупольного момента массы источника, поэтому сферически симметричные движения ничего не излучают, и только асимметричные, ускоряющиеся распределения массы производят волны.

Компактные двойные системы как основные источники

Сливающиеся пары черных дыр и нейтронных звезд являются самыми громкими и наиболее хорошо смоделированными источниками; их орбитальный распад из-за гравитационного излучения был впервые косвенно подтвержден двойным пульсаром Халса-Тейлора.

Clinical relevance

Идентификация и моделирование источников превращают обнаружение гравитационных волн в астрономию: каждый класс источников исследует различные физические явления, от уравнения состояния плотной материи в нейтронных звездах до популяции черных дыр на протяжении космического времени и возможных реликтов ранней Вселенной в стохастическом фоне.

History

После предсказания Эйнштейна первое убедительное доказательство существования гравитационного излучения появилось в 1974 году, когда Халс и Тейлор обнаружили двойной пульсар, орбита которого распадалась точно так, как предсказывала квадрупольная формула, что принесло им Нобелевскую премию 1993 года и стимулировало усилия по прямому обнаружению.

Key figures

• Russell Hulse
• Joseph Taylor
• Kip Thorne
• Bernard Schutz

Seminal works

• hulse1975
• maggiore2008

Frequently asked questions

Почему вращающаяся, идеально симметричная звезда не излучает гравитационные волны?

Излучение требует изменяющегося квадрупольного момента; идеально осесимметричное вращающееся тело имеет постоянное распределение массы, если смотреть извне, поэтому оно не излучает гравитационных волн, тогда как звезда с «горой» или другой асимметрией излучает.

Каково было значение двойного пульсара Халса-Тейлора?

Его орбита сжимается точно с той скоростью, которая ожидается, если он теряет энергию на гравитационные волны, что является первым количественным, хотя и косвенным, доказательством существования гравитационного излучения, за десятилетия до того, как волны были обнаружены напрямую.