Одним из наиболее мощных и наблюдаемых астрофизических источников гравитационных волн являются компактные двойные системы, состоящие из нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинаций. Такие системы испускают гравитационные волны в процессе спирального сближения, когда компоненты теряют энергию из-за излучения гравитационных волн и в конечном итоге сливаются.
Классическая модель эволюции такой системы делится на три стадии:
Гравитационные волны от таких событий характеризуются чётко определённой формой сигнала — «chirp» — с увеличивающейся частотой и амплитудой. Эти сигналы впервые были зарегистрированы детекторами LIGO и Virgo в 2015 году, подтвердив существование двойных систем чёрных дыр.
Для бинарных систем чёрных дыр типичные массы компонентов находятся в диапазоне от 5 до 100 солнечных масс. Для двойных нейтронных звёзд — от 1.2 до 2.3 масс Солнца. Амплитуда гравитационной волны от слияния системы масс M1 и M2 на расстоянии r можно оценить формулой:
$$ h \sim \frac{G^{5/3}}{c^4} \frac{(M_1 M_2)^{1/2}(M_1+M_2)^{1/3}}{r} (\pi f)^{2/3}, $$
где f — частота волны.
Наблюдаемые амплитуды на Земле крайне малы: h ∼ 10−21, что требует исключительно высокой чувствительности интерферометрических детекторов.
Коллапс массивной звезды, приводящий к образованию чёрной дыры или нейтронной звезды, может сопровождаться выбросом гравитационных волн. Наиболее эффективным считается асимметричный коллапс, когда динамика оболочек нарушает сферическую симметрию.
Некоторые такие события наблюдаются как гамма-всплески (gamma-ray bursts, GRBs), особенно короткие GRBs, для которых предполагается происхождение от слияния двух нейтронных звёзд. Эти события сопровождаются высокоэнергетическим электромагнитным излучением, но также являются потенциальными источниками гравитационных волн.
Интенсивность гравитационного излучения при коллапсе зависит от отклонения от сферической симметрии. Даже при значительных энергиях коллапса только малая часть энергии — порядка 10−7 M⊙c2 — уходит в гравитационные волны.
Изолированные неоднородные вращающиеся нейтронные звёзды также могут испускать непрерывные гравитационные волны. Если звезда имеет отклонение от осевой симметрии (например, горб или магнитную деформацию), она может излучать волны на удвоенной частоте своего вращения.
Гравитационное излучение от пульсаров можно описать через квадрупольный момент:
$$ h \sim \frac{4 \pi^2 G}{c^4} \frac{I \epsilon f^2}{r}, $$
где I — момент инерции, ϵ — эллиптичность (степень деформации), f — частота вращения. Однако даже при высокой частоте сигналы от одиночных пульсаров чрезвычайно слабы и требуют продолжительных накоплений сигнала.
В центрах галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) массами от 106 до 1010 масс Солнца. Слияния таких объектов являются источниками низкочастотных гравитационных волн (f ∼ 10−4–10−1 Гц), недоступных наземным детекторам, но потенциально наблюдаемых космическими миссиями, такими как LISA.
Предполагается, что в процессе галактических слияний образуются двойные СМЧД, которые в течение космологического времени сближаются, излучают гравитационные волны и сливаются. Это даёт мощнейшие сигналы, охватывающие миллионы лет в стадии инспирала и бурно завершающиеся слиянием.
Слияния СМЧД влияют на динамику галактических ядер, рост галактик и могут вызывать «отдачу» слияния — движение итоговой чёрной дыры из-за анизотропного излучения волн.
Кроме индивидуальных источников, гравитационные волны могут формировать стохастический гравитационный фон — суперпозицию большого числа слабых и неразрешимых сигналов от далеких событий. Он может происходить от:
Такой фон имеет характерный спектральный индекс и может быть зафиксирован статистически, например, с помощью наблюдений пульсарного тайминга (PTA, Pulsar Timing Arrays), таких как NANOGrav или европейская сеть EPTA. Недавние данные дают убедительные признаки стохастического фона на нано-герцовых частотах.
Гравитационные волны, возникшие в ранней Вселенной, могут нести информацию о физике высоких энергий, недоступной в земных ускорителях. Основные механизмы генерации волн в космологии:
Эти источники потенциально могут быть обнаружены в космическом микроволновом фоне (например, через B-моду поляризации) или будущими интерферометрами, чувствительными к сверхнизким частотам.
Менее мощными, но всё же интересными источниками гравитационного излучения являются:
Хотя эти процессы дают слабые сигналы, они важны для полной картины гравитационной вселенной.
Современная гравитационная астрономия всё чаще опирается на многомессенджерные подходы — совмещение данных от гравитационных волн, электромагнитного излучения (радио, оптика, гамма), нейтрино и космических лучей. Классическим примером служит событие GW170817 — слияние двух нейтронных звёзд с последующей вспышкой гамма-излучения и оптическим килоновым послесвечением.
Такие события позволяют:
Развитие сети гравитационных детекторов (LIGO, Virgo, KAGRA, LISA, Einstein Telescope) в сочетании с мощными оптическими и радионаблюдениями формирует новую эпоху в астрофизике, где гравитационные волны становятся полноценным информационным каналом о структуре и эволюции Вселенной.