Чайная ложка нейтронной звезды весит миллиарды тонн. Две такие столкнулись — и оставили постоянный шрам на лице Вселенной

Нейтронные звёзды остаются одними из самых странных объектов во Вселенной. После взрыва сверхновой от массивной звезды остаётся компактное ядро диаметром около 20 километров и массой больше солнечной. Внутри такого ядра материя сжата до предела: атомы разрушены, протоны и электроны слились, вещество почти целиком состоит из нейтронов. Чайная ложка нейтронного вещества весила бы миллиарды тонн.

Когда две нейтронные звезды вращаются вокруг общего центра и постепенно сближаются, система начинает излучать гравитационные волны. Общая теория относительности описывает гравитацию не как силу в привычном смысле, а как искривление пространства-времени. Ускоряющиеся массивные тела создают рябь в этой «ткани», и рябь распространяется со скоростью света. Детекторы вроде LIGO и Virgo уже научились регистрировать такие колебания.

Обычно гравитационная волна ведёт себя как волна в воде: пространство немного растягивается и сжимается, затем возвращается к исходному состоянию. Однако у теории Эйнштейна есть менее известное предсказание. После прохождения волны может остаться крошечный, но постоянный сдвиг. Частицы, которые служат «пробными массами» в детекторе, не возвращаются точно в прежнее положение. Такой остаточный след называют эффектом памяти гравитационных волн.

Первые расчёты памяти выполнили Яков Зельдович и Александр Полнарёв в 1974 году. Тогда физики рассматривали скопление сверхплотных звёзд и работали в рамках линейного приближения гравитации. Позже Деметриос Христодулу показал, что нелинейность уравнений Эйнштейна даёт дополнительный вклад в память: сами гравитационные волны, накапливаясь, меняют структуру сигнала. В последние годы к картине добавились ещё два источника. Учёные доказали, что электромагнитное излучение и поток нейтрино также вносят вклад в нелинейную память.

Группа исследователей из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, Академии Афин, Университета Валенсии и Университета штата Монтклер решила проверить, как все эти факторы работают в случае слияния нейтронных звёзд. Результаты опубликованы в Physical Review Letters. Работа впервые даёт количественную оценку того, как магнитные поля, нейтрино и выброшенное вещество влияют на память гравитационных волн.

Слияние двух чёрных дыр создаёт самые яркие по мощности гравитационные волны, поэтому интуиция подсказывает, что память в таких системах должна быть максимальной. Нейтронные звезды проигрывают по «громкости» гравитационного сигнала, зато добавляют физику, которой нет у чёрных дыр. У нейтронных звёзд есть магнитные поля, иногда колоссальной силы. Столкновение сопровождается выбросом барионного вещества, то есть обычной материи из протонов и нейтронов. В процессе также рождается мощный поток нейтрино — почти невесомых частиц, которые свободно проходят сквозь вещество.

Чтобы разобраться в деталях, команда провела численные симуляции двойных систем с разными параметрами. Модели отличались массами звёзд, уравнением состояния вещества и конфигурацией магнитного поля. Уравнение состояния описывает, как плотность, давление и температура связаны внутри сверхплотной материи, а значит, определяет жёсткость звезды и характер её деформации при сближении. В одних расчётах учитывался выброс нейтрино, в других — нет, чтобы увидеть разницу.

Сигнал памяти оказался чувствителен к нескольким факторам одновременно. Масса системы влияет на общую амплитуду. Уравнение состояния меняет динамику столкновения и свойства остаточного объекта после слияния. Топология и сила магнитного поля добавляют свои поправки. Авторы отмечают, что простое ожидание «магнитное поле сильнее — память больше» не всегда срабатывает. Вклад электромагнитного излучения в большинстве случаев оказывается небольшим, если магнитное поле не достигает экстремальных значений. При этом магнитное поле меняет эволюцию остатка после слияния и может привести к уменьшению гравитационной составляющей памяти.

Суммарно магнитные поля, нейтрино и выброшенное вещество дают от 15 до 50 процентов общей памяти в моделях слияния нейтронных звёзд. Для некоторых конфигураций намагниченные системы даже показывают меньшую полную память по сравнению с немагнитными. Ещё одно отличие от чёрных дыр касается времени накопления сигнала. В системах с нейтронными звёздами память может расти постепенно и дольше после основного столкновения.

Наблюдение эффекта памяти стало бы важной проверкой общей теории относительности. Речь идёт о тонком эффекте, который пока не удалось зафиксировать напрямую. Для систем с нейтронными звёздами обнаружение памяти дало бы дополнительную информацию о внутреннем устройстве звезды, о её массе и магнитном поле. Фактически детектор гравитационных волн мог бы косвенно «прощупать» сверхплотное вещество, которое невозможно воспроизвести в лаборатории.

Авторы рассматривают проведённую работу как первый шаг. Дальнейшие расчёты должны систематически исследовать влияние разных параметров и помочь выделить конкретные признаки, по которым детекторы смогут распознать память в реальных данных. В уравнениях Эйнштейна у двойных компактных объектов остаётся собственный след, который сохраняется после того, как волна прошла. Задача экспериментаторов — научиться этот след увидеть.