Космологические проявления эволюции двойных звезд Панченко, Иван Евгеньевич

Введение к работе

Актуальность работы

Наблюдательная астрономия проникает сейчас все дальше и дальше вглубь Вселенной. Новые данные и открывающиеся в последнее время перспективы наблюдательной астрономии, такие как наблюдения гамма-всплесков, открытие сверхновых в далеких галактиках на z ~ 0.4 и больше, развивающаяся гравитационно-волновая астрономия требуют решения многих теоретических вопросов. Это вопросы и о физике наблюдаемых явлений, и о их количестве или частоте.

В случае гамма-всплесков, например, именно количественный вопрос об их необычном пространственном распределении, изотропном по направлению и неоднородным по расстоянию (log N/ log 5 < 3/2), является одной из трудноразрешимых загадок. Одним из ее решений, быть может, является гипотеза, обясняющая их как проявление слияний двойных нейтронных звезд на космологических расстояниях, предложенная Блинниковым и др. [1] и развитая Пачиньским [18].

В случае сверхновых вопрос о количестве тоже имеет огромное значение - ведь оно непосредственно связано с темпом звездообразования (особенно для 2-го типа) и с плотностью вещества во Вселенной, выяснение которой крайне важно для космологии.

Для гравитационно-волновых наблюдений вопрос о количестве сейчас является прежде всего вопросом ожидания -сколько событий (слияний нейтронных звезд и черных дыр) и какой мощности будет зафиксировано и, соответственно, какой должна быть чувствительность строящихся лазерно-интерферометрических детекторов [И, 22]. Когда эти при-, боры начнут работать и наблюдения будут осуществлены, мы сможем точно узнать частоту слияний нейтронных звезд во Вселенной, что позволит уточнить наши представления о звездной эволюции. Когда станут также возможными низкочастотные гравитационно-волновые наблюдения с помощью

космических лазерных интерферометров [12] или твердотельных антенн, они непосредственно дадут нам информацию о количестве двойных звезд, тем самым позволяя непосредственно "взвесить" галактику, давая тем самым ключ к разрешению проблемы скрытой массы и определению полной плотности звездного вещества во Вселенной.

Вспышки сверхновых и слияния компактных звезд - мощнейшие по энерговыделению события во Вселенной, связанные со звездами, т.к. масштабы высвобождающейся при этом энергии порядка полной энергии звезд (~ Мс²), а время, за которое она выделяется, очень мало - в случае слияния нейтронных звезд и черных дыр оно порядка Я_д/с, т.е. мощность достигает c'jG ~ 10⁵⁹ эрг/с! Такие мощные явления не могут оставаться незамеченными, а неизбежность их следует из действия гравитационных волн, излучаемых двойными системами, на их орбиты. Так, например, слияние хорошо известного двойного пульсара PSR 1913+16 должно неминуемо произойти через ~ 10* лет под действием гравитационных волн [15]. Существующие оценки частоты таких событий различаются на два порядка [5, 16, 21], поэтому имеют большое значение расчеты, ведущие к ее уточнению.

Большое энерговыделение этих мощных явлений, превосходящих по мощности излучение галактик, в которых они происходят, позволяет наблюдать их с космологических расстояний, и тем самым дает возможность использовать эти явления для изучения свойств Вселенной в целом и ее крупномасштабной структуры, а также для определения параметров космологической модели. Так, гамма-всплески (если интерпретировать их как проявления слияний двойных нейтронных звезд) наблюдаются в настоящее время с расстояния, соответствующего z ~ 1. Открыто около десятка сверхновых с красным смещением z « 0.4, и есть перспективы наблюдательного обнаружения в ближайшие годы гравитационных волн от сливающихся компактных звезд из ближайшей окрестно-

сти нашей Галаїстики (в переделах ~ 200 Мпк).

В настоящее время также возникли новые перспективы обнаружения сверхновых на космологических расстояниях. Открытие сверхновой, имевшей в максимуме блеска величину ~ 22^т Нооргард-Нильсеном и др. [17] и последующее открытие большого числа сверхновых таких же звездных величин Пэйном и др. [20], позволившее впервые измерить частоту вспышек сверхновых на: ~ 0.4, открыли новый горизонт астрономических наблюдений. Возникла потребность в теоретических расчетах, которые помогли бы интерпретировать новые данные.

Все упомянутые явления имеют непосредственное отношение не только к космологии, но и к эволюции двойных звезд, т.к. и слияния компактных объектов, и существенная часть вспышек сверхновых (все, кроме типа II), происходят в двойных системах. Кроме того, двойные звезды, как будет показано ниже, являются основным астрофизическим источником гравитационных волн. Поэтому эти явления можно рассматривать как космологические проявления эволюции двойных звезд. Изучению их количественных и качественных характеристик, а также связи с различными факторами эволюции, посвящена данная диссертация.

В основе рассмотрения эволюции двойных систем в данной работе лежит "Машина сценариев" [2, 8] — разрабатываемая в отделе релятивистской астрофизики ГАИШ компьютерная программа, моделирующая эволюцию двойных звезд, которая вобрала в себя всю совокупность имеющихся в наше время представлений об их эволюции. При помощи метода популя-ционного синтеза, заключающегося в изучении искусственной (смоделированной на основе расчета эволюции индивидуальных объектов с заданным распределением начальных параметром) популяции объектов, и переносе ее статистических свойств на реальную популяцию, "Машина сценариев" может давать информацию о статистических свойствах звезд-

ного населения Галактики (или другой звездной популяции) - количестве одиночных или двойных звезд того или другого типа, частоте тех или иных явлений и о зависимости этих величин от разнообразнейших параметров, описывающих заложенную в нее эволюционную модель. "Машина сценариев" успешно применялась для решения различных задач, связанных с эволюцией двойных звезд (современный обзор см. в работе [8]).

Цель и задачи диссертации

Диссертация посвящена исследованию таких космологических проявлений эволюции двойных звезд, как гравитационного излучения от совокупности двойных звезд Вселенной, слияний нейтронных звезд и черных дыр, а также вспышкек сверхновых. При этом основное внимание уделяется учету влияния эволюции двойных систем на свойства этих явлений. Целью диссертации является изучение связи статистических характеристик рассматриваемых явлений (гравитационного излучения, гамма-всплесков, сверхновых) с эволюцией двойных звезд, в ходе которой эти явления возникают, и с параметрами космологичекой модели. Большое внимание уделяется наглядности получаемых результатов. Для анализа статистических характеристик привлекаются интегральные распределения типа log N - log S [6], которые позволяют продемонстрировать влияние эволюции на наблюдаемые количества тех или иных объектов.

В диссертации решаются следующие задачи:

1. Получение аналитических оценок и численные расчеты частот слияния компактных звезд в Галактике и во Вселенной, а также определение зависимости этих частот от возраста звездного населения.

2. Построение и анализ распределения Іоц; N Ig $ ^{для <лп}"

яний двойных нейтронных звезд во Вселенной с целью проверки гипотезы космологического происхождения во Вселенной.

3. Вычисление спектра гравитационного излучения и построение карты гравитационно-волнового неба. Определение характеристик принимаемого гравитационного излучения в зависимости от угловой направленности приемника.

4. Построение и анализ распределения logiV - logS для вспышек сверхновых. Применение полученных результатов с целью определения космологических параметров.

5. Изучение электромагнитных эффектов, происходящих при сближении нейтронных звезд перед их слиянием.

Научная новизна

В работе на основе численного моделирования впервые получена зависимость частоты слияний двойных компактных звезд и частоты вспышек сверхновых от возраста звездного населения. Получена также новая аналитическая оценка частоты слияний двойных нейтронных звезд.

В рамках космологической модели происхождения гамма-всплесков воспроизведено наблюдаемое интегральное распределение наблюдаемых потоков излучения от них (logJV - log5 ) и получены соответствующие значения параметров модели. Предложен новый критический тест этой модели, основанный на том, что начиная с некоторого расстояния должно наблюдаться резкое возрастание числа событий ("ступенька на logjY - !ogS "), являющееся проявлением первичного всплеска звездообразования во Вселенной.

На основе моделирования эволюции популяции двойных звезд Галактики получен спектр ожидаемого стохастического

фона гравитационного излучения. Построена карта углового распределения потока энергии гравитационных волн по небу. Построена карта распределения по небу частот гравитационно-волновых всплесков от слияний двойных нейтронных звезд. Предложено новое понятие - "прозрачность гравитационно-волнового фона", служащее для наглядной иллюстрации характера принимаемых гравитационных волн в зависимости от частотной и угловой чувствительности детектора.

Предложено использование распределения log N - log S для анализа наблюдений сверхновых на космологических расстояниях. Рассчитан ожидаемый вид этих распределений для сверхновых типов la, lb, II. Из сравнения полученных результатов с последними наблюдательными данными получена оценка средней относительной плотности звездного вещества во Вселенной fl„.

Предсказана возможность возникновения вспышки пуль-сароподобного излучения за короткое время перед слиянием двойной системы из нейтронных звезд. Получены оценки энерговыедения в таком явлении и приведены его ожидаемые наблюдательные характеристики.

Научная и практическая значимость работы

Полученные в работе результаты могут быть использованы для анализа дальнейших наблюдений гамма-всплесков с целью выяснения из природы или уточнения параметров моделей, а также для интерпретации будущих гравитационно-волновых наблюдении. Предложенное понятие "прозрачности гравитационно-волнового фона" может также найти применение при развитии гравитационно-волновой астрономии.

Разработанные методики численного расчета зависимостей различных событий звездной эволюции в зависимости

(і

от возраста звездного населения могут найти применение в дальнейших исследованиях с исполъованнем эволюционного моделирования.

Предсказанное новое явление - "возрождение" радиопульсара за счет быстрого орбитального движения перед слиянием нейтронных звезд в двойной системе может быть обнаружено наблюдательно.

Разработанная автором система визуального отображения эволюционных треков двойных звезд [9] будет в дальнейшем использоваться для иллюстрирования расчетов "Машины сценариев"().

Положения, выносимые на защиту

1. Построение карты гравитационно-волнового неба для амплитуды стохастического фона гравитационного излучения и для частот импульсов от слияний нейтронных звезд в радиусе до 30 Мпк от Солнца. Формулировка понятия "прозрачности" гравитационно-волнового фона, которое может использоваться для определения характеристик ожидаемого гравитационного излучения.

2. Расчет эволюции темпа слияния двойных релятивистких звезд во Вселенной. Воспроизведение в рамках космологической модели гамма-всплесков и с учетом эволюционного фактора их наблюдаемого интегрального распределения logiV-logS (3-й каталог БАТСЕ). Новый тест, предложенный для космологической гипотезы на основе эволюционных предсказаний.

3. Предсказание нового явления, заключающегося в возникновении мощной вспышки электромагнитного излучения пульслрного типа перед слиянием двойных нейтронных звезд и анализ возможности наПлюдаельного обнаружения отого явления в разных диапазонах спектра. Такое

явление, в частности, при аномально сильных магнитных полях сливающихся нейтронных звезд (10¹⁵ —10¹⁶ Гс) могло бы наблюдаться на космологических расстояниях как гамма-всплески.

Апробация результатов и публикации

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

4. International conference on Particle and Nuclear Astrophysics and Cosmology in the Next Millennium (Snowmass, Colorado, USA, 1994)

5. КОСМИОН-94 (конференция памяти А.Д. Сахарова и Я.Б. Зельдовича)

6. 29th ESLAB Symposium "Towards the Source of Gamma-Ray Bursts", 1995

7. Семинар "Физика нейтронных звезд" (ФТИ им. А.Ф. Иоффе), 1995

8. КОСМИОН-96

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

9. ЛипуновВ.М., Назин С.Н., Панченко И.Е., Постнов К.А., Прохоров, М.Е. "The Gravitational Wave Sky Map" As-tron. к Astrophys. 298, 677 (1995)

10. Липунов B.M., Панченко И.Е., Постнов К.А., Прохоров, М.Е., ,]0rgensen, Н.Е. "Evolution of the Double Neutron Star Merging Rate and the Cosmologieal Origin of Gamma-Ray Durst Sources" Astrophys. Journal 454. 593 (1995)

3. Лнпунов В.М., Панченко И.Е., Постнов К.А., Прохоров. М.Е. Space ScienceReview, "Tests for Coalescing Binary Neutron Stars as Cosmological Origin of Gamma-Ray Bursts" 74, 369 (1995)

4. Лилунов B.M., Панченко И.Е., Постнов K.A., Прохоров, М.Е. Jorgensen, Н.Е. "Cosmological Rates of Coalescing Neutron Stars and GRB" Astrophys. к Space. Sci. 231, 389 (1995)

5. Липунов B.M., Панченко И.Е. "Pulsars, revived by gravi-taitonal waves" Astron. & Astrophys. 312, 937 (1996)

6. Липунов B.M., Назин C.H., Панченко И.Е., Постнов К.А., Прохоров, М.Е. "Gravitational Wave Sky" Astron. & Astrophys. Trans. 10, 53-58 (1996)

Личный вклад автора

13 работах, посвященных частотам слияний нейтронных звезд и гамма-всплесков, личный вклад автора заключается в проведении расчетов по численному моделированию частот слияний и в вычислении распределений logiV - log5 . Лично автором сделана также аналитическая оценка частоты слияний и обращено внимание на "ступеньку на logiV - logS ".

Непосредственно автором впервые построены карты гравитационно-волнового неба для стохастического излучения нашей Галактики и ее ближайших соседей а для частот гравитационно-волновых всплесков. Автору принадлежит также формулировка понятия "прозрачности" стохастического фона.

В исследованиях, посвященных космологическим вспышкам Сверхновых, автору принадлежат численные расчеты чистит слияний и распределений logiV log5 .

В предсказанном совместно с В.М. Ляпуновым явлении возрождения радиопульсара автору принадлежит идея механизма "индуцированного диполя" и расчеты энерговыделения всех упоминаемых в работе механизмов.

Структура и объем диссертации