Гравитационно-волновые стандартные сирены

Определение и физическая суть

Гравитационно-волновые стандартные сирены (standard sirens) представляют собой астрофизические источники гравитационных волн, свойства которых позволяют напрямую измерять расстояния во Вселенной без опоры на стандартные свечи или шкалы космологического красного смещения. Основная идея заключается в том, что амплитуда гравитационной волны пропорциональна массам источника и обратно пропорциональна расстоянию до наблюдателя, что позволяет извлекать люминозное расстояние непосредственно из сигнала.

Математически амплитуда $h(t)$ гравитационной волны от двоичной системы с массами $m_1$ и $m_2$ на расстоянии $D_L$ выражается через формулу:

$$ h(t) \sim \frac{G^{5/3}}{c^4} \frac{(\mathcal{M}_c)^{5/3}}{D_L} (\pi f(t))^{2/3}, $$

где $_c = $ — чирп-масс, $f(t)$ — частота волны, $G$ — гравитационная постоянная, $c$ — скорость света. Именно чирп-масс задаёт характерный рост частоты и амплитуды сигнала на заключительной стадии слияния.

Классификация стандартных сирен

Основные категории стандартных сирен определяются типом источника:

  1. Двойные нейтронные звезды (DNS) Эти системы дают относительно слабые, но хорошо моделируемые сигналы с длительной инспирацией. Преимущество DNS в том, что при слиянии часто наблюдаются электромагнитные контрасты (гамма-всплески короткого типа), что позволяет напрямую определить красное смещение $z$.

  2. Двойные чёрные дыры (BBH) Такие системы создают мощные гравитационные волны, которые можно регистрировать на больших расстояниях. Недостаток в отсутствии ярких электромагнитных counterpart’ов, что затрудняет измерение красного смещения.

  3. Чёрно-неутронные бинарные системы (BH–NS) Сочетают преимущества обеих категорий: яркий гравитационный сигнал и потенциальный электромагнитный counterpart.

Методика измерения расстояний

Гравитационно-волновые стандартные сирены позволяют определить люминозное расстояние $D_L$ независимо от космологической модели:

  1. С помощью детекторов LIGO/Virgo/KAGRA регистрируется временной сигнал $h(t)$.
  2. Путём подгонки шаблонов сигналов (matched filtering) извлекаются физические параметры источника: чирп-масс, спины компонент, ориентация орбиты.
  3. Амплитуда гравитационной волны даёт $D_L$, поскольку $h _c^{5/3} / D_L$.
  4. При наличии электромагнитного counterpart’а определяется красное смещение $z$, что позволяет построить $D_L$–$z$ зависимость.

Эта зависимость используется для измерения константы Хаббла $H_0$ и проверки моделей тёмной энергии. В отсутствие EM-counterpart’а возможно использование статистических методов, когда потенциальные галактики-кандидаты в поле детектора используются для оценки $z$.

Преимущества гравитационных стандартных сирен

  • Независимость от расстояния по шкале космологических «стандартных свечей» — прямое измерение через амплитуду волны.
  • Минимизация систематических ошибок — гравитационные волны не подвергаются поглощению или рассеянию в межгалактической среде.
  • Возможность проверки космологических моделей на больших красных смещениях — стандартные сирены могут быть зарегистрированы на расстояниях до нескольких гигапарсек.

Ограничения и источники систематической ошибки

  1. Неопределённость ориентации орбиты и поляризации волны — амплитуда зависит от угла между наблюдателем и орбитальной плоскостью.
  2. Наличие шумов и детекторных систематик — чувствительность LIGO/Virgo ограничена в диапазоне частот 10–2000 Гц.
  3. Отсутствие красного смещения без EM-counterpart’а — приводит к необходимости статистического подхода.

Роль в современной космологии

Гравитационно-волновые стандартные сирены открывают новый канал космологического дистанционного зондирования, позволяя независимо от традиционных методов (тип Ia сверхновые, барионы-акустические осцилляции) определять:

  • Константу Хаббла $H_0$;
  • Параметры тёмной энергии $w_0$, $w_a$;
  • Потенциальные аномалии в эволюции структуры Вселенной.

Практические примеры

  • GW170817 — двойная нейтронная звезда, обнаруженная LIGO/Virgo в 2017 году, с последующим оптическим counterpart’ом в NGC 4993, позволила измерить $H_0$ независимо от Цефеид и сверхновых Ia.
  • GW190521 — двойная чёрная дыра, зарегистрированная без EM-counterpart’а, показала потенциал статистических подходов для измерения $D_L$.

Стандартные сирены становятся ключевым инструментом современной гравитационно-волновой астрономии, открывая прямой путь к изучению космологической эволюции и тестированию фундаментальных физических законов на экстремальных массах и энергиях.

Оглавление