Вращающиеся нейтронные звезды

Основные характеристики вращающихся нейтронных звезд

Нейтронные звезды представляют собой остатки массивных звезд после сверхновой, обладающие крайне высокой плотностью и компактностью. Радиус нейтронной звезды составляет примерно 10–15 км при массе около 1,4–2 солнечных масс, что приводит к плотности порядка 1014 − 1015 г/см3. Вращение таких объектов может достигать тысяч оборотов в секунду, особенно у молодых или аккреционных нейтронных звезд.

Ключевыми параметрами, определяющими излучение гравитационных волн от вращающихся нейтронных звезд, являются:

  • Частота вращения frot – определяет фундаментальную частоту возможного излучения, которая обычно кратна угловой скорости Ω = 2πfrot.
  • Момент инерции I – зависит от массы и внутренней структуры нейтронной звезды и характеризует сопротивление вращению.
  • Эллиптичность ϵ – мера деформации звезды относительно идеальной сферы, напрямую связанная с амплитудой гравитационных волн.

Источники деформаций и их роль в генерации гравитационных волн

Идеальная симметричная нейтронная звезда, вращающаяся вокруг одной из осей, не излучает гравитационные волны. Источники деформаций, приводящие к нарушению симметрии и возникновению квадрупольного момента, включают:

  1. Геометрические неровности – “горбы” или локальные выступы на поверхности нейтронной звезды, удерживаемые кристаллической корой.
  2. Магнитные поля – сильные внутренние магнитные поля могут деформировать звезду, создавая тороидальные или полярные деформации.
  3. Внутренние колебания и р-моды – неустойчивости р-мод (вращательных мод) могут поддерживать периодическое изменение квадрупольного момента, особенно у молодых горячих нейтронных звезд.

Эти деформации создают асимметрию в распределении массы, которая является источником гравитационного излучения.

Механизм генерации гравитационных волн

Гравитационные волны от вращающейся нейтронной звезды описываются уравнением для квадрупольного излучения:

$$ h_0 = \frac{4\pi^2 G}{c^4}\frac{I \epsilon f_{\text{rot}}^2}{r}, $$

где h0 — амплитуда волны на расстоянии r, G — гравитационная постоянная, c — скорость света, I — момент инерции, ϵ — эллиптичность звезды, frot — частота вращения.

Частота излучаемой гравитационной волны fGW связана с частотой вращения:

fGW = 2frot

для стационарных деформаций, ориентированных вдоль одной оси. В случае р-модов частота волны примерно равна $\frac{4}{3} f_{\text{rot}}$.

Энергетические характеристики

Энергетический поток, излучаемый нейтронной звездой, можно выразить через производную квадрупольного момента:

$$ \frac{dE}{dt} = -\frac{32}{5}\frac{G}{c^5} I^2 \epsilon^2 \Omega^6. $$

Излучение гравитационных волн приводит к замедлению вращения звезды. Для многих миллисекундных пульсаров это замедление настолько мало, что основным механизмом потери энергии остаются электромагнитные процессы, но для молодых или сильно деформированных нейтронных звезд гравитационное излучение может доминировать.

Типы наблюдаемых сигналов

  1. Постоянные монотонные сигналы – от относительно стабильных деформаций. Частота волны остается почти постоянной в течение многих лет, амплитуда пропорциональна эллиптичности.
  2. Квазипериодические сигналы – наблюдаются при слабой эволюции структуры звезды или при постепенном изменении р-модов.
  3. Транзиентные всплески – кратковременные события, например, при резких перестройках коры или магнитной активности.

Влияние внутренних процессов на излучение

  • Суперфлюидные компоненты в ядре нейтронной звезды могут влиять на момент инерции и, соответственно, на амплитуду гравитационных волн.
  • Трение между слоями влияет на устойчивость р-модов и может ограничивать максимальную амплитуду колебаний.
  • Аккреция из окружающего диска у нейтронных звезд в двойных системах может накапливать асимметрии и поддерживать стабильное излучение.

Наблюдательные аспекты

Современные интерферометры (LIGO, Virgo, KAGRA) ищут сигналы от вращающихся нейтронных звезд преимущественно в диапазоне 10–2000 Гц. Основные методы поиска включают:

  • Целенаправленные наблюдения – для известных пульсаров с известной частотой и позицией.
  • Слепые широкие поиски – для неизвестных источников, требуют больших вычислительных ресурсов.
  • Поиск спин-ап/спин-даун сигналов – учитывают постепенные изменения частоты вращения.

Амплитуда наблюдаемых сигналов крайне мала (h0 ∼ 10−26 − 10−24) для звезд на расстоянии нескольких килопарсек, что делает обнаружение очень сложной задачей и требует долгосрочного накопления данных и чувствительных алгоритмов анализа.

Роль вращающихся нейтронных звезд в астрофизике гравитационных волн

Вращающиеся нейтронные звезды представляют уникальный класс источников непрерывного излучения, которое позволяет:

  • Изучать внутреннюю структуру нейтронных звезд, включая моменты инерции, упругость коры, магнитные поля.
  • Ограничивать модели состояния вещества при экстремальных плотностях через измерение эллиптичности и амплитуды излучения.
  • Сравнивать данные о спин-даун пульсаров с предсказанными потерями энергии через гравитационное излучение.

Наблюдение и анализ гравитационных волн от вращающихся нейтронных звезд является ключевым инструментом для понимания физики компактных объектов и экстремальных состояний материи.

Оглавление