Предложен новый метод анализа гравитационных волн в будущих обсерваториях 3G

В 2030-х годах детекторы гравитационных волн будут в тысячи раз более чувствительными, чем нынешние LIGO, Virgo и KAGRA. Сеть обсерваторий «третьего поколения» (3G) почти наверняка будет включать Cosmic Explorer (США), телескоп Эйнштейна (ЕС) и может включать обсерваторию Южного полушария, подобную Cosmic-Explorer.

Эти удивительные инструменты будут видеть каждое слияние двойных нейтронных звезд во Вселенной и большинство двойных черных дыр с красными смещениями выше 10: сотни тысяч, возможно, миллионы разрешимых сигналов в год. Многие из этих сигналов будут чрезвычайно громкими, а отношение сигнал / шум будет исчисляется тысячами, что будет способствовать прорыву в фундаментальной физике и космологии.

И в этом может быть проблема.

Как извлечь всю информацию из этих сигналов? На первый взгляд это кажется простой задачей: просто продолжать оценивать параметры, как это уже делают сегодня. Но оказывается, что текущие методы оценки параметров не так хорошо масштабируются, когда сигналы действительно громкие и очень длинные.

Чтобы понять, почему, ученые представили сигнал слияния двойной нейтронной звезды «GW370817», который возник примерно в 40 Мпк от Земли. Сеть детекторов 3G будет наблюдать за GW370817 в течение 90 минут с ошеломляющим отношением сигнал / шум 2500. Анализ этого сигнала примерно в тысячу раз дороже с точки зрения вычислений, чем анализ сигнала в современных условиях — по предварительным данным, анализ займет около 1000 лет!

Такое непомерное время анализа является препятствием для астрофизики с данными 3G, и это проблема, которую ученые решают в новой работе. Чтобы сократить время вычислений, они разработали «модели пониженного порядка» гравитационно-волновых сигналов, которые позволяют делать выводы о свойствах двойной нейтронной звезды, используя сильно сжатые данные, почти без потери точности.

Исследователи снизили вычислительные затраты на вывод данных 3G в 13000 раз. Вместе с небольшим количеством параллельных вычислений можно выполнить анализ данных за несколько часов. Это хорошая новость для астрофизики в будущую эпоху 3G.

Хотя до 2030-х годов и до детекторов 3G осталось несколько лет, полученные результаты и методы полезны для широкого спектра теоретических и проектных исследований, которые расширяются в ногу с развитием технологии детекторов.

В настоящее время существует множество интересных астрофизических вопросов, над которыми можно начать думать в контексте детекторов 3G: насколько хорошо мы сможем измерить уравнение состояния нейтронной звезды и максимальную массу нейтронных звезд? А что это скажет нам об экстремальной материи? Насколько хорошо можно измерить спины нейтронных звезд и может ли это сказать нам что-нибудь о механизмах сверхновых? и т. д.

Новый метод облегчит теоретическую работу такого рода, позволив делать надежные выводы о свойствах двойных нейтронных звезд в данных 3G.

Работа была опубликована в Physical Review Letters.