Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
262
9. Амалъди, Г. Пиццелла
уравнением (1.2) с учетом вкладов мультиполей высших порядков.
Критическое обсуждение всех других возможных причин, вызывающих уменьшение энергии двойной, было проведено авторами данной статьи, которые пришли к заключению, что все они значительно слабее, чем гравитационное излучение1).
3.3. Падение на шварцшильдову черную дыру
Если тело массы т падает на сколлапсировавшее тело массы Mf то должно излучаться следующее количество энергии гравитационного излучения Ae:
Ae « 0,0025 т2с2/М (3.8)
со спектром частот, имеющим пик на характеристической частоте
V » 4,9 • 103MofM Гц. (3.9)
Как пример рассмотрим нейтронную звезду с массой т = = 0,68 M0f падающую на черную дыру с массой M =10 M0. Полное количество энергии гравитационного излучения, испускаемого приблизительно за 0,5 мс, составляет 2-Ю50 эрг с характеристической частотой 6000 Гц. Если явление происходит на расстоянии 1000 пс от Земли, мы должны наблюдать миллисекундный всплеск с интенсивностью потока порядка 2 X X IO6 эрг/см2, что находится в пределах возможностей современной техники.
ЗА. Излучение от гравитационного коллапса
Если коллапс звезды протекает симметрично, гравитационные волны не должны излучаться. Однако, если происходит коллапс вращающейся звезды, могут испускаться различные всплески гравитационного излучения, причем протекание этого процесса зависит от деталей данного явления.
Предполагается, что апектр испускаемого излучения должен быть непрерывным от нуля до критической частоты
vKp~l/2n;T (ЗЛО)
при характеристическом времени
т ~ (jtGp)~1/2, (3.11)
а р — плотность на конечной стадии коллапса. Полная излучаемая энергия равна
<ЗЛ2>
*) Cm. также обсуждение данного вопроса в работе [182]. — Прим. перев,
7. Поиск гравитационных волн
263
где Q макс компонента тензора квадрупольного момента вдоль
оси вращения.
Пример сколлапсировавшей звезды, рассмотренный Рисом, Руффини и Уилером, дает vKp ~ IO3 Гц и Ae ~ 5* IO51 эрг. Поэтому если в нашей Галактике имеет место коллапс, то поток энергии на Земле будет порядка IO6 эрг/см2, что вполне соответствует современным экспериментальным возможностям. Ho такие события могут происходить самое большее несколько раз в столетие.
Рассматривая галактики в скоплении Девы, мы предполагаем иметь несколько событий этого типа в месяц с потоком энергии на Земле порядка 1 эрг/см2. Детектирование такого события представляет собой насущную задачу для экспериментаторов.
3.5. Испускание нейтрино как процесс, конкурирующий с испусканием гравитационных волн
Данные, резюмированные в предыдущих разделах, не учитывают, что при гравитационном коллапсе имеют место также всплески испускания нейтрино, которые, как полагают, должны быть сильными источниками гравитационных волн. Казанас и Шрамм [94] указали, что эти два процесса будут конкурировать между собой в случае образования нейтронной звезды. Такие объекты, по-видимому, возникают при коллапсе достаточно массивных (М ^ 7 M0) звезд после прекращения термоядерного горения. Хотя в настоящее время нет детальной общей теории, существуют несколько вероятных моделей конечных стадий звездной эволюции и взрывов сверхновых.
Согласно некоторым из этих моделей, электроны достаточно массивного звездного ядра вследствие большой центральной плотности (р > IO11 г/см3) и высокой температуры поглощаются протонами:
р + е~->п + V.
Нейтрино, получаемые из этого, а также из других источников, таких как аннигиляция пар (е~ + е+-> v + v), распад плазмы и тормозное излучение, уносят часть гравитационной энергии коллапса. Если эта часть велика, то такие нейтрино могут в значительной мере способствовать эжекции верхней мантии, тогда как богатое нейтронами ядро коллапсирует далее к конденсированному остатку.
С современной точки зрения наиболее существенной чертой является то, что испускание нейтрино может давать вклад в распад нерадиальных колебаний коллапсирующего ядра и
264
Э. Амальди, Г. Пиццелла
образованной новой нейтронной звезды, что, возможно, гасит эти колебания значительно быстрее, чем гравитационное излучение.
Тревога, вызванная этими обстоятельствами среди ученых, занимающихся поиском гравитационных волн, в настоящее время уменьшается, но еще не полностью рассеялась, поскольку еще нет удовлетворительной трактовки этой весьма запутанной проблемы. Главные черты такой трактовки* можно понять из следующих замечаний.
Отметим прежде всего, что сечения рассеяния для упомянутых выше процессов рождения нейтрино весьма малы, особенно по сравнению с сечениями упругого рассеяния нейтрино:
е~ + v->e” + v',
П + V -> n' + v'.
Во время коллапса радиус взрывающейся массы уменьшается, достигая приблизительно за 1 с так называемой первой точки отскока, в которой радиус снова начинает расти до небольшого максимума, и приблизительно за 0,1 с достигает второй точки отскока при большей плотности. Испускание нейтрино, как и гравитационных волн, имеет место в основном в точках отскока, продолжительность пребывания в которых порядка IO-3 с. Если образовавшиеся нейтрино уходят от коллапсирую-щей звезды, они уносят большую часть энергии, и излучение гравитационных волн, согласно Казанасу и Шрамму, сильно уменьшается. Наоборот, если нейтрино имеют длину свободного пробега, меньшую, чем радиус коллапсирующей звезды, то большинство из них вновь поглощается звездой и их образование не может уменьшить энергию, излучаемую в виде гравитационных волн.
