Классификация источников гравитационных волн
Гравитационные волны возникают в результате ускоренного движения массивных объектов, вызывающего искажение пространственно-временной метрики. Источники этих волн условно делятся на несколько классов: компактные двойные системы, коллапсы массивных звёзд, реликтовые волны ранней Вселенной и стохастический фон, а также экзотические объекты вроде космических струн. Каждый из них порождает волны с характерными частотными и амплитудными спектрами, что позволяет по сигналу восстановить природу источника.
Компактные двойные системы
Это основной подтверждённый тип источников гравитационных волн. Сюда входят двойные системы чёрных дыр, нейтронных звёзд, а также их смешанные пары. По мере излучения энергии в виде гравитационных волн такие системы теряют орбитальную энергию, сближаются и в конечном итоге сливаются.
Слияние чёрных дыр Первое детектированное событие (GW150914) было вызвано слиянием двух чёрных дыр. Такие события излучают значительную долю массы системы в форме гравитационного излучения. Типичная продолжительность наблюдаемого сигнала — порядка секунд, а частота — от десятков до сотен герц.
Слияние нейтронных звёзд Эти события, кроме гравитационного сигнала, сопровождаются электромагнитными вспышками (гамма-всплески, килоно́вы). Пример — GW170817. Они важны не только для физики гравитации, но и для ядерной астрофизики, поскольку подтверждают происхождение тяжёлых элементов (в рамках r-процесса) при таких катастрофических событиях.
Смешанные двойные системы Система из чёрной дыры и нейтронной звезды излучает менее мощные волны по сравнению с двойными чёрными дырами, но может оставлять электромагнитный след, если нейтронная звезда разрывается до поглощения.
Коллапсы массивных звёзд
Сверхновые типа II (коллапс массивной звезды) могут испускать гравитационные волны, если коллапс происходит несимметрично. В случае сильного отклонения от сферической симметрии в момент формирования нейтронной звезды или чёрной дыры возникают высокочастотные гравитационные колебания. Хотя амплитуда их мала по сравнению со слияниями компактных объектов, подобные сигналы особенно интересны для изучения механизмов коллапса и уравнений состояния ядерной материи.
Пульсары и нестабильности вращающихся звёзд
Изолированные нейтронные звёзды с несимметричной массой (например, при наличии “горбов” или нестабильностей Р-моды) могут непрерывно испускать гравитационные волны. Такие сигналы очень слабы, но их устойчивость во времени даёт возможность аккумулировать данные за годы наблюдений, что критично для возможности их регистрации. Распад неустойчивостей или перестройки внутреннего строения звезды также потенциально могут порождать детектируемые импульсы.
Стохастический фон
Этот фон создаётся суперпозицией множества нерегистрируемых поодиночке источников гравитационных волн. Он может иметь как астрофизическое происхождение (например, совокупность слияний чёрных дыр за историю Вселенной), так и космологическое.
Космологический стохастический фон Представляет собой реликтовое гравитационное излучение, возникшее в ранней Вселенной. Возможные механизмы его генерации включают:
Изучение этого фона важно для проверки космологических моделей и теории великого объединения.
Космические струны и другие экзотические источники
Космические струны — гипотетические одномерные дефекты, оставшиеся после ранних фазовых переходов. Их разрывы (cusps) и пересечения (kinks) могли бы генерировать импульсы гравитационных волн с характерными спектрами, резко отличающимися от известных астрофизических источников.
Аналогично, экзотические объекты вроде бозонных звёзд или червоточин, если они существуют, могли бы генерировать сигналы, не соответствующие стандартным шаблонам. Детектирование подобных волн могло бы указывать на наличие новых форм материи или гравитации.
Галактические и околоземные источники с низкой частотой
Системы двойных белых карликов, а также пульсирующие звёзды с большим периодом порождают гравитационные волны с низкими частотами (миллигерцы и ниже). Их регистрация возможна с помощью гравитационно-волновых детекторов в космосе (например, проекта LISA), а также путём наблюдений временных задержек в сигнале от миллисекундных пульсаров (метод PTA – Pulsar Timing Arrays).
Масштабы амплитуд и частот
Различные источники охватывают широкий диапазон частот:
Эти различия требуют использования разнообразных методов и технологий регистрации — от интерферометров (LIGO, Virgo, KAGRA) до будущих космических миссий и радионаблюдений пульсаров.
Астрофизическая значимость изучения источников
Анализ гравитационно-волновых сигналов позволяет:
Понимание источников гравитационных волн формирует мост между астрофизикой, космологией, ядерной и теоретической физикой. В ближайшие десятилетия ожидается расширение наблюдаемого диапазона и выявление новых типов источников, включая гипотетические.