Магнитные поля и гравитационные волны: как слияния нейтронных звезд скрывают свои тайны

Слияния нейтронных звезд представляют собой одно из наиболее экстремальных и энергетически насыщенных явлений во Вселенной. Эти события, возникающие при столкновении сверхплотных остатков массивных звезд, служат уникальными лабораториями для изучения физики в условиях, недостижимых в земных экспериментах. Основной интерес к ним связан с возможностью исследовать поведение материи при плотностях, превышающих ядерные, а также с их ролью в генерации гравитационных волн, электромагнитного излучения и тяжелых элементов.

Ключевым аспектом понимания динамики слияний нейтронных звезд является уравнение состояния (EoS), описывающее взаимосвязь между давлением, плотностью и температурой вещества в их недрах. Современные теоретические модели предполагают, что при экстремальных плотностях могут происходить фазовые переходы, включая образование кварк-глюонной плазмы. Однако до недавнего времени влияние магнитных полей на эти процессы оставалось недостаточно изученным, несмотря на то, что нейтронные звезды обладают одними из самых сильных магнитных полей во Вселенной — до миллиардов раз мощнее, чем созданные в лабораториях на Земле.

Группа исследователей из Университета Иллинойса и Университета Валенсии провела серию численных симуляций, направленных на изучение роли магнитных полей в формировании спектра гравитационных волн, излучаемых при слиянии нейтронных звезд. Их работа, опубликованная в Physical Review Letters, демонстрирует, что магнитные поля способны вызывать значительные сдвиги в частотах колебаний остатка слияния, что усложняет интерпретацию наблюдательных данных.

Методология исследования основывалась на моделировании общей релятивистской магнитогидродинамики (GRMHD), учитывающей как эффекты сильной гравитации, так и динамику плазмы в мощных магнитных полях. Учёные рассмотрели различные конфигурации магнитных полей, два типа уравнений состояния и разные массы нейтронных звезд. Результаты показали, что усиление магнитного поля в процессе слияния приводит к увеличению частот гравитационно-волнового сигнала, что может маскировать другие эффекты, например, связанные с фазовыми переходами в EoS.

Это открытие имеет важные последствия для будущих наблюдений с помощью детекторов гравитационных волн следующего поколения, таких как Cosmic Explorer и телескоп Эйнштейна. По словам ведущего автора исследования Антониоса Цокароса, точное определение частот колебаний остатка слияния позволит раскрыть многие неизвестные свойства нейтронных звезд, но только при условии учёта магнитных полей. Игнорирование их влияния может привести к ошибочным выводам о термодинамических характеристиках нейтронной звезды.

Профессор Милтон Руис подчеркнул, что моделирование фазы после слияния без учёта магнитных полей недопустимо, так как это критически важный фактор, определяющий динамику системы. Дальнейшие исследования в этой области планируется направить на проведение симуляций с более высоким разрешением, что позволит уточнить роль магнитных полей в формировании гравитационно-волнового сигнала.

Исторический контекст этой работы связан с первым детектированием гравитационных волн от слияния нейтронных звезд (GW170817) в 2017 году, которое сопровождалось электромагнитным всплеском. Это событие положило начало эре многоканальной астрономии и стимулировало развитие численного моделирования GRMHD. Однако, как отметил профессор Стюарт Шапиро, многие тонкие эффекты, включая влияние магнитных полей на высокочастотные колебания, станут доступны для изучения лишь с вводом в строй более чувствительных детекторов.

Таким образом, исследование Цокароса и его коллег подчеркивает необходимость комплексного подхода к анализу слияний нейтронных звезд, учитывающего как уравнение состояния, так и магнитогидродинамические эффекты. Это открывает новые горизонты в понимании физики сверхплотной материи и гравитационно-волновой астрономии.