Слушаем космос неправильно? Как магнитные поля нейтронных звезд создают «фантомные» сигналы в космосе
Представьте себе объект настолько плотный, что чайная ложка его вещества весит как гора Эверест. А теперь представьте два таких объекта, несущихся навстречу друг другу со скоростью, близкой к световой, чтобы слиться в одно целое в титаническом космическом катаклизме. Это реальность слияний нейтронных звезд — одних из самых экстремальных событий во Вселенной. Изучая их, ученые надеялись разгадать тайны материи в условиях, которые невозможно воссоздать на Земле. Но, как это часто бывает в науке, Вселенная подкинула новую задачку: оказалось, что мощнейшие магнитные поля этих звезд могут серьезно осложнить интерпретацию данных. Давайте разберемся, что происходит.
Звезды-тяжеловесы и их секреты
Нейтронные звезды — это сверхплотные остатки массивных звезд, закончивших свою жизнь взрывом сверхновой. В их ядрах вещество сжато до невообразимых пределов. Понять, как ведет себя материя в таких условиях, — одна из фундаментальных задач современной физики. Правила этой игры описывает так называемое уравнение состояния (УРС) — набор законов, диктующих, как связаны давление, температура и плотность в недрах звезды. Расшифровать это уравнение — все равно что найти Розеттский камень для понимания экстремальной материи.
И вот тут на сцену выходят гравитационные волны. Когда две нейтронные звезды сталкиваются и сливаются, они порождают рябь самой ткани пространства-времени. Эти волны, впервые напрямую зарегистрированные в 2017 году (то знаменитое событие GW170817, когда одновременно поймали и гравитационный сигнал, и вспышку света), несут бесценную информацию о происходящем. Ученые предположили: а что, если по «мелодии» этих волн, точнее, по частотам их колебаний после слияния, можно будет судить о свойствах вещества внутри? Возможно, удастся даже засечь экзотические явления, вроде превращения обычных адронов (протонов и нейтронов) в кварковую материю — так называемый фазовый переход. Это было бы грандиозное открытие!
А вы учли магниты? Неожиданный поворот
Многие теоретические модели слияний строились именно на этой идее: анализируем частоты гравитационных волн — получаем ключ к УРС. Звучит логично, правда? Однако исследователи из Иллинойсского университета и Университета Валенсии задались вопросом: а не упускаем ли мы что-то важное? Ведь у нейтронных звезд есть еще одна выдающаяся особенность — колоссальные магнитные поля.
Подумайте только: магнитное поле нейтронной звезды может быть в миллиарды раз сильнее самых мощных магнитов, созданных человеком. А когда две такие звезды сливаются, их поля взаимодействуют, переплетаются и усиливаются до совершенно фантастических значений. До недавнего времени многие расчеты либо вовсе игнорировали влияние этих полей, либо учитывали его упрощенно. Возможно, потому что моделирование таких процессов — задача невероятно сложная, требующая огромных вычислительных мощностей и учета эффектов общей теории относительности и магнитогидродинамики (науки о движении проводящей жидкости или газа в магнитном поле).
Как поле сбивает с толку
И вот что показали новейшие симуляции, проведенные группой под руководством Антониоса Цокароса. Оказывается, само по себе сверхсильное магнитное поле, возникающее после слияния, заставляет образовавшийся компактный объект (сверхмассивную нейтронную звезду или быстро вращающийся черный дыр) колебаться! Эти колебания тоже генерируют гравитационные волны на определенных частотах.
В чем же проблема? А в том, что эти «магнитные» частоты могут накладываться на частоты, связанные с внутренним строением объекта (тем самым УРС), или даже полностью их маскировать. Представьте, что вы пытаетесь по тончайшим вибрациям определить, из какого сплава сделан колокол, но рядом кто-то постоянно лупит по нему кувалдой. «Удары кувалды» — это и есть влияние магнитного поля, которое создает свой собственный «шум» в гравитационно-волновом сигнале.
Получается, что наблюдаемый сдвиг частоты, который раньше могли бы с энтузиазмом приписать интересному фазовому переходу в недрах звезды, на самом деле может быть вызван «всего лишь» влиянием магнитного поля. Это, конечно, не умаляет значимости самого поля, но делает задачу расшифровки УРС куда более заковыристой. Как говорит профессор Милтон Руис, один из соавторов исследования, игнорирование магнитных полей может привести к ошибочным выводам о физике этих систем. Честно говоря, это довольно серьезное предупреждение для всего сообщества.
Что дальше? Новые инструменты и новые вызовы
Что же делать? Во-первых, продолжать совершенствовать модели. Ученые планируют провести еще более детальные симуляции с высоким разрешением, которые раньше были просто невозможны из-за вычислительных ограничений. Это позволит точнее понять, как именно магнитное поле влияет на гравитационно-волновой сигнал при различных сценариях слияния (разные массы звезд, разные уравнения состояния, разные конфигурации полей).
Во-вторых, вся надежда на будущее поколение гравитационно-волновых обсерваторий, таких как Cosmic Explorer и Einstein Telescope. Эти инструменты будут гораздо чувствительнее своих предшественников (вроде LIGO и Virgo) и смогут улавливать высокочастотные сигналы, рождающиеся непосредственно в момент слияния и сразу после него. Именно там, как ожидается, и скрыта самая ценная информация.
Но, как мы теперь понимаем, даже имея на руках эти драгоценные данные, их интерпретация потребует невероятной аккуратности. Ученым придется разработать методы, позволяющие отделить «зерна» (сигналы от УРС) от «плевел» (сигналов, порожденных магнитным полем). Возможно, ключ кроется в поиске уникальных «подписей» каждого из этих эффектов в сложной картине гравитационных волн.
Так что, хотя путь к пониманию недр нейтронных звезд оказался сложнее, чем думали раньше, он стал только интереснее. Вселенная неохотно расстается со своими секретами, но именно такие вызовы и двигают науку вперед. И кто знает, какие еще сюрпризы приготовили нам эти удивительные космические объекты? Поживем — увидим, а точнее — услышим с помощью новых гравитационных «ушей» человечества.
