Популяции двойных систем

Двойные системы — это пары компактных объектов, таких как нейтронные звёзды или чёрные дыры, которые находятся на общей орбите вокруг общего центра масс. Они играют ключевую роль в астрофизике гравитационных волн, поскольку слияние таких систем является одним из основных источников наблюдаемых сигналов.

Процессы формирования двойных систем могут включать следующие механизмы:

  1. Эволюция бинарных звёзд. Большинство двойных компактных объектов формируются из исходных бинарных звёзд. Эволюция включает несколько этапов:

    • Массообмен между компонентами.
    • Стадия общей оболочки, приводящая к уменьшению орбитального радиуса.
    • Суперновые взрывы с образованием нейтронной звезды или чёрной дыры, которые могут изменять орбитальные параметры системы.

  2. Динамическое формирование в плотных звёздных скоплениях. В шаровых кластерах и ядерных скоплениях взаимодействия трёх и более тел могут приводить к формированию новых бинарных систем из ранее одиночных объектов. Такие системы часто обладают высокой эксцентриситетной орбитой.

Орбитальная эволюция под действием гравитационного излучения

Двойные системы теряют энергию через излучение гравитационных волн, что приводит к сокращению орбитального радиуса и ускорению слияния. Для слабогравитирующих систем с медленной эволюцией используется аппроксимация постньютоновских орбитальных уравнений, которые учитывают:

  • Энергетические потери через гравитационное излучение.
  • Исправления для перицентрового прецессирования.
  • Эффекты спина компактных объектов, включая спин-орбитальные и спин-спин взаимодействия.

Основные характеристики орбитальной эволюции:

  • Уменьшение периода вращения.
  • Рост орбитальной скорости при сохранении энергии системы.
  • Нарастание амплитуды гравитационных волн ближе к слиянию.

Классификация популяций двойных систем

Популяции бинарных систем различаются по типу компонент и характеристикам орбит:

  1. Двойные нейтронные звёзды (NS-NS):

    • Массы компонентов ~1.2–2.0 M⊙.
    • Часто имеют высокую эксцентриситетную орбиту сразу после образования, которая постепенно круглеет под действием гравитационного излучения.
    • Источник коротких гамма-всплесков.

  2. Двойные чёрные дыры (BH-BH):

    • Массы могут достигать десятков M⊙.
    • Обычно имеют меньшую эксцентриситетность при слиянии, так как долгий орбитальный период способствует круглению орбиты.
    • Основной источник наблюдаемых гравитационных волн в диапазоне LIGO/Virgo.

  3. Смешанные системы (NS-BH):

    • Играют важную роль для мультиканальных наблюдений, сочетая гравитационные и электромагнитные сигналы.
    • Эксцентриситет и масса компонентов влияют на амплитуду и частоту гравитационного сигнала.

Частотные и амплитудные характеристики

Гравитационные волны от двойных систем имеют чётко выраженные зависимые характеристики:

  • Амплитуда сигнала h пропорциональна квадрату масс компонентов и обратно пропорциональна расстоянию до системы:

    $$ h \sim \frac{G^{5/3}}{c^4}\frac{(M_1 M_2) (M_1 + M_2)^{1/3}}{r} (\pi f)^{2/3} $$

  • Частота f сигнала растёт по мере сокращения орбиты:

    $$ f \sim \frac{1}{\pi}\sqrt{\frac{G(M_1+M_2)}{a^3}} $$

    где a — орбитальный радиус.

  • Эволюция частоты во времени характеризуется параметром chirp, который измеряет скорость увеличения частоты:

    $$ \frac{df}{dt} \sim f^{11/3} \frac{(M_1 M_2)}{(M_1 + M_2)^{1/3}} $$

Эти параметры позволяют не только идентифицировать источник, но и оценить массы и спины компонентов, а также расстояние до системы.

Популяционные модели и наблюдательная статистика

Для прогнозирования числа и свойств бинарных систем используется популяционное моделирование, включающее:

  • Начальное распределение масс звёзд.
  • Вероятность образования бинарной системы и эффективность выживания после суперновой.
  • Влияние динамических взаимодействий в плотных скоплениях.
  • Модель распределения орбитальных параметров и спинов.

Сравнение предсказанных популяций с наблюдаемыми сигналами гравитационных волн позволяет уточнять параметры звёздной эволюции, включая массовые функции, механизмы массопереноса и частоты слияний.

Оглавление