Как столкновение нейтронных звёзд меняет пространство навсегда

Чайная ложка вещества нейтронной звезды весит миллиарды тонн. Когда два таких сверхплотных объекта сталкиваются, они не просто создают мощнейшие гравитационные волны — они оставляют постоянный «шрам» в ткани пространства-времени. Исследование международной группы учёных опубликовано в Physical Review Letters и посвящено проверке так называемого эффекта памяти гравитационных волн. Нейтронные звезды возникают после взрыва сверхновой. Это компактные объекты диаметром около 20 километров и массой больше солнечной. Внутри них материя сжата до предела: атомы разрушены, вещество почти полностью состоит из нейтронов. При сближении двух таких звёзд система начинает излучать гравитационные волны, которые уже фиксируются детекторами LIGO и Virgo.

Эффект памяти: волна, которая не исчезает

Обычно гравитационная волна растягивает и сжимает пространство, после чего всё возвращается в исходное состояние. Однако теория Эйнштейна предсказывает и другое: после прохождения волны может остаться крошечный, но постоянный сдвиг. Частицы в детекторе не возвращаются точно на прежнее место. Этот остаточный след и называют эффектом памяти.

Впервые такие расчёты провели Яков Зельдович и Александр Полнарёв в 1974 году. Позднее Деметриос Христодулу показал, что нелинейность уравнений Эйнштейна усиливает этот эффект. Современные исследования добавили новые источники вклада — электромагнитное излучение и поток нейтрино.

Магнитные поля, нейтрино и 50 процентов сигнала

Учёные из Университета Иллинойса, Академии Афин, Университета Валенсии и Университета штата Монтклер смоделировали слияние нейтронных звёзд с разными массами, уравнениями состояния и конфигурациями магнитного поля. Они отдельно учитывали выброс нейтрино и барионного вещества, чтобы понять вклад каждого фактора.

Выяснилось, что магнитные поля, нейтрино и выброшенное вещество дают от 15 до 50 процентов общей гравитационной памяти. Причём более сильное магнитное поле не всегда означает больший эффект: в некоторых случаях намагниченные системы демонстрировали меньшую итоговую память. В отличие от чёрных дыр, у нейтронных звёзд память может накапливаться дольше после основного столкновения.

Наблюдение этого эффекта стало бы важной проверкой общей теории относительности. Обнаружение памяти позволило бы получить данные о массе, внутреннем устройстве и магнитном поле нейтронной звезды. Фактически детекторы гравитационных волн смогли бы «прощупать» сверхплотное вещество, недоступное для лабораторных экспериментов. Пока это только первый шаг, но учёные рассчитывают, что будущие наблюдения помогут увидеть этот «шрам» во Вселенной.