Астрофизические источники гравитационных волн тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Физический Факультет р ф К^елра Астрофизики и Звездной Астрономии

о у т ■ '

На правах рукописи УДК 523.9

Постнов Константин Александрович

Астрофизические источники гравитационных

волн.

(01.03.02 - Астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена на кафедре астрофизики и звездной астрономии физического факультета Московского Государственного Университета им М.В. Ломоносова.

Официальные оппоненты: -

Ведущее учреждение: -

доктор физико-матем. наук профессор В.Н.Руденко доктор физико-матем. наук профессор А.И.Цыган доктор физико-матем. наук Н.Н.Чугай АКЦ ФИАН РАН, Москва

Защита состоится " 26 " февраля 1998 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д 053.05.51 Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова. Адрес: 119899, Москва, Университетский проспект, 13, ГАИШ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного Астрономического Института им. П.К. Штернберга Московского Государственного Университета (Университетский пр., 13).

Автореферат разослан " 20 " января 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета:

канд. физ.-мат. наук Л.Н. Бондаренко

Актуальность работы

Радиоастрономические наблюдения эволюции орбит двойных пульсаров, проведенные за последние 20 лет, в настоящее время общепризнанно являются прямым подтверждением существования гравитационных волн, предсказываемых общей теорией относительности (см. Нобелевскую лекцию Дж. Тейлора [27]). Начиная с середины 1980-х годов, экспериментальное детектирование гравитационных волн перестает быть предметом исследования отдельных экспериментальных групп и приобретает форму крупных дорогостоящих международных проектов с применением новейших технологий, в которые оказываются вовлеченные целые институты и лаборатории. Большие надежды возлагаются на многокилометровые лазерные интерферометры типа LIGO, VIRGO, GEO-600, ТАМА-300, первая очередь которых с чувстительностью к амплитудам вариаций метрики на уровне hrms = Ю-21 на частоте 100 Гц должна вступить в строй к 2000 г (см. [15]). В связи с этими фундаментальными проектами встает вопрос о всевозможных астрофизических источниках гравитационных волн, которые при данном уровне чувствительности детекторов могут быть зарегистрированы за разумное время наблюдений (обычно говорят о непрерывном времени работы детектора 1 год).

Теоретические работы по астрофизическим источникам гравитационных волн ведутся по двум большим направлениям. Во-первых, требуется понять какие именно источники, на какой частоте и с каким характерным временем между последовательными событиями (иначе, с частотой появления) можно ожидать на данном уровне чувствительности. Во-вторых, для наиболее вероятных источников требуется как можно более детально рассчитать ожидаемую форму сигнала, что диктуется предполагаемой методикой поиска слабого сигнала на фоне сильных шумов детектора (оптимальная фильтрация, хорошо известная в радиофизике). Наиболее перспективными источ-

никами гравитационных волн с точки зрения их регистрации лазерными интерферометрами типа LIGO в частотном диапазоне 10-1000 Гц считаются сливающиеся двойные компактные звезды - двойные нейтронные звезды или черные дыры, и коллапсы ядер массивных звезд, наблюдаемые как сверхновые типа II и lb. Оценки галактической частоты слияний двойных нейтронных-звезд, выводимые из наблюдаемой статистики двойных радиопульсаров (см. последнюю работу на эту тему [29] и ссылки там) дают'8 х Ю-6 в год, в то время как теоретические оценки этой частоты, получаемые из анализа теории звездной эволюции, дают в среднем на порядок более высокие темпы слияний: Ю-4—Зх 10~5 в год (например, [7], [18], [13], [6], [9]), хотя следует заметить, что разрыв между двумя группами оценок постепенно уменьшается [11]. Частота слияний двойных систем с черными дырами оценивается с гораздо меньшей точностью, поскольку наблюдателям такие системы пока неизвестны, а в теории образования черных дыр звездной массы гораздо больше неопределенностей по сравнению с теоретическими представлениями о формировании двойных нейтронных звезд.

Ситуация со сверхновыми как источниками гравитационных волн носит в каком-то смысле обратный характер: из астрономических наблюдений более или менее надежно выводятся частоты этих событий, а вот форма и амплитуда возможного ГВ-сигнала известна с точностью до нескольких порядков величины.

Кроме перечисленых выше наземных ГВ-экспериментов в диапазоне частот 10-1000 Гц, планируется постройка космического лазерного интерферометра LISA, чувствительного к ГВ-сигналу на более низких частотах Ю-4 - Ю-1 Гц 1. Поскольку лазерные интерферометры являются широкополосными детек-

1LISA - проект, разрабатываемый под эгидой Европейского Космического Агенства; NASA независимо разрабатывает аналогичный проект OMEGA силами Jet Propulsion Laboratory

торами А/ ~ /, при наблюдениях на частоте / в их диапазоне чувствительности может оказаться много независимых источников и сигнал от них будет носить характер шума. Наиболее интересный с точки зрения фундаментальной физики является реликтовый ГВ-фон, несущий информацию о процессах в самой ранней Вселенной (см. [1], [2]), поэтому важно знать, на каких частотах в диапазоне чувствительности LISA фон от галактических и внегалактических двойных систем оказывается ниже порога чувствительности интерферометра LISA и тем самым не вносит добавочного шума (при наблюдении на двух независимых интерферометрах от внешнего шума можно отстроиться, коррелируя сигналы с двух детекторов, но это не так в случае одного интерферометра LISA).

Изложенные соображения делают исследования указанных источников гравитационных волн (в первую очередь, сливающихся компактных двойных звезд и сверхновых), а также поиск новых источников ГВ, актуальной задачей современной астрофизики. То же относится к исследованию ГВ-фона от неразрешенных астрофизических источников.

Цели настоящей работы, которая выполнялась в основном в течение 1993-1997 гг., состояли в (а) исследовании частоты встречаемости слияний двойных нейтронных звезд и черных дыр в области Вселенной, из которой возможна регистрация ГВ-сигналов на уровне чувствительности первых лазерных интерферометров типа LIGO, VIRGO, GEO-600 hrms = 10~21 на частоте 100 Гц, (б) поиске новых астрофизически значимых источников ГВ и (в) изучении ГВ-фонов от совокупности неразрешенных астрофизических источников, имеющих характер шума.

В диссертации решались следующие задачи:

(1) Определение частот слияний релятивистских компактных двойных звезд (нейтронных звезд и черных дыр) в Галактике методом популяционного синтеза двойных звезд в рамках

различных сценариев звездной эволюции для различных параметров эволюции звезд и образования компактных остатков.

(2) Определение числа детектируемых слияний различных типов релятивистских двойных звезд при непрерывном наблюдении в течение года на лазерных интерферометрах типа первой очереди LIGO с чувствительностью hrms = Ю-21 на частоте 100 Гц в зависимости от параметров звездной эволюции.

(3) Получение эмпирического ограничения на эффективность излучения гравитационных волн при коллапсах ядер массивных звезд (вспышках сверхновых типа II и Ib) из наблюдаемого распределения скоростей радиопульсаров.

(4) Поиск новых возможных источников гравитационных волн, в частности, связанных с анизотропным излучением нейтрино в астрофизических объектах.

(5) Исследование стохастического фона гравитационных волн, генерируемых астрофизическими источниками, неразрешаемыми при наблюдениях широкополосными гравитационно-волновыми детекторами.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации -167 страниц; в ней содержится 24 рисунка. Список литературы насчитывает 178 наименований.

Во Введении дается краткое описание проблем, затронутых в диссертации, ставятся цели и обосновывается актуальность данной работы. Приводятся основные формулы, описывающие генерацию гравитационных волн и перенос энергии гравита-ционныхми волнами. Отдельно рассматривается вопрос о регистрации слабого ГВ-сигнала на фоне шумов методом оптимальной фильтрации данных, хорошо известным в радиофизике, и выводится формула для отношения сигнал/шум при методе оптимальной фильтрации. На основании этой формулы

вводится характерная амплитуда ГВ-сигнала hc = где

п - число циклов сигнала в полосе детектора -за время регистрации. Например, для квазигармонического сигнала на частоте /, ождиаемого перед слиянием двух компактных звезд, п = /2// для широкополосного приемника с Д/ ~ /. Отношение сигнал/шум при наблюдениях широкополосным детектором со среднеквадратичной амплитудой шума hrms дается формулой S/N = hc/hrms• Приводятся кривые планируемой чувствительности лазерных интерферометров LIGO, VIRGO, GEO-600.

Первая глава посвящена ГВ-излучению при образовании нейтронных звезд в ходе коллапса ядра массивных звезд. Сначала рассматриваются результаты современных численных расчетов ГВ, возникающих на конвективно - неустойчивой стадии протонейтронной звезды [24], а также другие возможные механизмы генерации ГВ-излучения на этой стадии (например,

[12], [4])-

Второй параграф целиком посвящен ГВ-излучению от молодых нейтронных звезд, связанных с неустойчивостью Чандрасекара-Фридмана-Шутца при быстром вращении. Приводится качественное описание этой неустойчивости и расчет ГВ-излучения по работе [20] и рассматривается излучение от быстровращающихся аккрецирующих нейтронных звезд [30].

Третий параграф рассматривает проблему асимметричного коллапса сверхновых. Приводятся наблюдательные аргументы в пользу существования такой асимметрии - высокие пространственные скорости радиопульсаров, необъясняемые в рамках стандартной эволюции [21], а также наблюдаемая прецессия орбиты двойного пульсара PSR J0045-7319 [19] и наклон экватора вращения Ве-звезды к плоскости орбиты в двойном пульсаре PSR В1259-63 [22]. Далее рассматривается гипотеза дополнительной раскрутки молодой нейтронной звезды при асимметричном коллапсе. Показано, что нейтронные звезды

могут раскручиваться до периодов, при которых они становятся радиопульсарами, даже в случае коллапса невращаю-щегося ядра звезды. Если же протонейтронная звезда изначально обладала большим моментом импульса, дополнительная раскрутка в принципе может привести звезду в область CFS-неустойчивости за точкой бифуркации /Зсг, где возможно излучение ГВ, как описывалось во 2-м параграфе.

В четвертом параграфе, главы делается оценка эффективности ГВ-излучения при асимметричном коллапсе, используя эмпирические данные о распределении пространственных скоростей радиопульсаров. Предполагается, что энергия движения нейтронной звезды является мерой энергии, выделенной в гравитационных волнах при асимметричном коллапсе. Показано, что эта оценка близка к максимально возможной в таком процессе - чтобы получить ее, требуется ускорение движения нейтронной звезды в шкале порядка гидродинамического времени протонейтронной звезды. При таком предположении наблюдаемое распределение пульсаров по скоростям является мерой анизотропии коллапса и средняя энергия, идущая в гравитационные волны при этом составляет долю egw = 5 х 1СГ6 от энергии покоя. Построено ожидаемое кумулятивное распределение log N—log hc для ГВ импульсов от коллапсирующих звезд с такой эффективностью ГВ-излучения для реалистического распределения звездного населения внутри ближайших 50 Мпк по каталогу Тулли [28]. В пятом параграфе рассматриваются новые возможные источники гравитационных волн, связанные с анизотропным излучением нейтрино в сильном магнитном поле. Показано, что такие источники могут врзникать в следующих астрофизических ситуациях:

(1) Когда сильнозамагниченная нейтронная звезда движется по спирали внутри оболочки звездььсверхгиганта в двойной системе и образуется объект типа Торна-Житковой. При этом возможно возникновение режима гиперкритической аккреции на нейтронную звезду (см. [16]), вблизи поверхности которой

начинают рождаться электрон-позитронные пары с последующей аннигиляцией в нейтрино [3].

(2) При образовании сильнозамагниченной нейтронной звезды во время вспышки сверхновой.

(3) На последних стадиях слияния двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры при эффективном нагреве нейтронной звезды приливными силами до температур ~ 109 К [23].

Во всех трех случаях нейтринное излучение будет промоду-лировано частотой вращения нейтронной звезды ш. Для возможной 10% анизотропии нейтринного излучения характеристическая амплитуда от таких источников в Галактике (г ~ 10 кпк) на уровне чувствительности Нгтз т Ю-23 лазерных интерферометров второй очереди будет достигаться при очень больших нейтринных светимостях Ьи ~ 1052 - 1053 эрг/с. Такие нейтринные светимости в принципе возможны во вспышках сверхновых и на поздних стадиях слияния двойных нейтронных звезд из-за эффективного приливного нагрева.

Вторая глава посвящена изучению формирования и эволюции двойных релятивистских звезд - нейтронных звезд и черных дыр, В первом параграфе приводится сводка наблюдаемых двойных пульсаров, у которых вторая компонента является нейтронной звездой и время орбитальной эволюции которых короче возраста Вселенной ~ 1.5 х Ю10 лет. Приводится сводка оценок темпа слияний двойных нейтронных звезд, выводимых из наблюдаемой статистики (например, [25], [29]), а также оценок, получаемых из анализа звездной эволюции ([17]. [7], [13] и др.).

Во втором параграфе главы изучаются темпы слияния двойных релятивистских звезд. Приводится краткое описание применяемого нами статистического метода расчета эволюции двойных звезд - метода популяционного синтеза (программа " Машина сценариев", разработанная в отделе релятивистской

астрофизики ГАИШ МГУ при непосредственном участии автора в течение последних 10 лет). Основная идея используемого метода заключается в расчете эволюционных треков статистически значимого числа двойных звезд (обычно 106), орбитальные и физические параметры которых распределены в соответствии с законами, выводимыми из наблюдений (например, для начальных-масс, больших полуосей орбит, пространственных скоростей молодых НЗ), или в соответствии с некоторыми модельными распределениями (например, для начальных периодов вращения и магнитных полей НЗ). Зафиксированное в расчете число слияний нормируется на массу Галактики (предполагаемую 10ПМЭ) и, после деления на возраст Галактики, мы получаем галактическую частоту слияния соответствующих объектов 1Z. Далее дается описание основных параметров эволюции: начальных распределений двойных звезд по массам (Салпетеровская функция масс для первичной компоненты и степенное распределение по отношению масс компонент, причем показатель степени этого распределения рассматривается как свободный параметр), полуосям (лог-нормальное), начальному магнитному полю образующегося компактного остатка (белого карлика или нейтронной звезды). Кратко напоминается используемая схема вращательной эволюции замагничен-ных компактных звезд (см. [5]). В отдельный под параграф выделено описание параметризации образования черных дыр (критическая масса звезды Мсг, начиная с которой образуются черные дыры, и доля массы предсверхновой Мсоге, коллапсиру-ющая в черную дыру Мьн = hh х Мсоге). Также обсуждается применяемое нами распределение анизотрпных скоростей, которые приобретают компактные остатки в ходе коллапса. Оно выбрано в таком виде, чтобы смоделированное "Машиной сценариев" распределение радиопульсаров по скоростям согласовывалось с наблюдаемым распределением (см. подробнее в нашей работе [10]). В следующем подпараграфе описываются два крайних случая темпа потери масс звездным ветром массив-

ными звездами - с малым и большим темпом потери массы, соответствующие передаче импульса или энергии давлением излучения оттекающему веществу.

В четвертом параграфе рассчитывается доля активных радиопульсаров, входящих в тесные релятивистские двойные системы. Расчеты проводились для двух характерных времен экспоненциального затухания магнитного поля нейтронной звезды - 107 и 108 лет. Показано, что эта доля составляет несколько процентов от полного числа двойных нейтронных звезд. Это обстоятельство позволяет объяснить расхождение в наблюдательных и теоретических оценках числа слияний двойных нейтронных звезд. В этом же параграфе показывается, что так называемый "предел Бэйлиса" частоты слияний двойных нейтронных звезд в Галактике не противоречит теоретическим оценкам с учетом новых данных о нижней границе наблюдаемой частоты рождения радиопульсаров в Галактике 1 раз в 60 лет.

В пятом параграфе изучается влияние анизотропной скорости на темпы слияний релятивистских двойных звезд отдельно для каждого сценария (с малой и большой потерей массы звездным ветром). Для иллюстрации приводятся эволюционные треки образования систем типа НЗ+НЗ, НЗ+ЧД, ЧД+ЧД. Показано, что в сценарии с малой потерей массы теоретически ожидаемое значение темпов слияния двойных нейтронных звезд в галактике с массой 1011 М© и постоянным звездообразованием лежит в пределах ~ 3 х 10~4 лет-1 до ~ Ю-э лет-1 в зависимости от предполагаемой средней анизотропной скорости и формы ее распределения. Для нулевой анизотропии наши результаты точно соответствуют более ранним расчетам [7] и независимым вычислениям других авторов [13], [26]. Для Лайн-Лоримеровского распределения по скоростям со средней скоростью 400 км/с мы получаем ~ 5х10~;) лет-1. Для

сценария с большой потерей массы основным параметром образования черных дыр становится масса звезды на главной по-

следовательности, начиная с которой могут образоваться такие объекты (это связано с тем, что.в этом сценарии массы пред-сверхновых Mcore ~ 8 — ЮМ® для всего диапазона масс звезд на главной последоввательности). Параметр къь, принимался равным 0.75, чтобы соответствовать средней массе наблюдаемых кандидатов в черные дыры 8.5М® [14]. Если черные дыры образуются начиная с масс 40-50 М©, частоты слияний двойных систем типа НЗ+ЧД и ЧД+ЧД в Галактике могут лежать в пределах ~ 2 х 10~5 — 5 ><: Ю-7 в год.

В шестом параграфе вычисляются относительные частоты регистрации слияний двойных нейтронных звезд и черных дыр широкополосным ГВ-детектором. Это отношение при оптимальной фильтрации сигнала составляет Dbh/Dn& pa {'Rbh/'R.ns){Mbh/Mnsyb/&, где 1Z - галактические частоты слияний и М - характерные массы соответствующих двойных систем. В сценарии с малой потерей массы показано, что для кьн > 0.2 число регистрируемых детектором слияний двойных систем, в которых хотя бы одна из компонент является черной дырой, больше, чем регистрируемое за то же время число слияний двойных нейтронных звезд. В случае сценария с большой потерей массы выигрыш в регистрации черных дыр возможен только для Мсг > 40М@ на главной последовательности и достаточно высоких (300-500 км/с) средних анизотропных скоростей нейтронных звезд.

В седьмом параграфе рассматриваются наблюдательные ограничения на параметры образования черных дыр. Используется существующая статистика массивных рентгеновских двойных систем с кандидатами в черные дыры типа Лебедь Х-1 (> 1 на Галактику) и число двойных пульсаров с черными дырами (< 1 на Галактику). Поскольку эти типы объектов эво-люционно связаны по крайней мере в одном из каналов образования пульсаров с черными дырами [8], параметры образования черных дыр в рамках сценария с малой потерей массы ограничены соотношениями кьн > 0.5 Мсоге > 18М®.

В восьмом параграфе 2-й главы рассчитаны темпы регистрации слияний релятивистских двойных звезд лазерными интерферометрами первого поколения типа LIGO, VIRGO, GEO-600 на уровне отношения сигнал/шум = 1 на частоте 100 Гц (hrms = Ю-21). Показано, что для вероятных параметров образования черных дыр (Mcr > 18М®, kbh > 0.5), анизотропной скорости при коллапсе со средним wq = 200 — 400 км/с и в сценарии эволюции нормальных звезд с малой потерей массы мы можем ожидать от 10 до ~700 событий в год, большая часть которых (> 80%) будут ЧД+ЧД, остальные НЗ+ЧД. Обнаружить H3+H3 за год наблюдений невозможно ни при каких параметрах звездной эволюции.

В конце второй главы обсуждаются полученные результаты и сформулированы основные выводы.

Третья глава диссертации изучает стохастический фон гравитационных волн от неразрешенных по частоте галактических и внегалактических астрофизических источников. К таким источникам относятся двойные звезды (диапазон частот Ю-8 —Ю-"1 Гц) и, возможно, старые нейтронные звезды с неосе-симметричной фигурой. Амплитуда фона характеризуется величиной ÍIgw ~ плотностью энергии ГВ в логарифмическом ин-тервавле частот, отнесенной к критической плотности во Вселенной рст. В первом параграфе главы аналитически рассматривается задача о формировании ГВ-фона от популяции источников с измемняющейся частотой. В случае двойных звезд изменение частоты ГВ происходит за счет эволюционных процессов (обмен масс между компонентами, звездный ветер, унос орбитального момента импульса гравитационными волнами), в случае старых нейтронных звезд - за счет излучения либо электромагнитных, либо гравитационных волн. Показано, что когда потери энергии в основном определяются ГВ излучением, стохастический ГВ-фон от неразрешенных источников зависит только от темпа рождения источников 1Z.

Во втором параграфе изучается ГВ-фон от старых нейтронных звезд в диапазоне чувствительности LIGO/VIRGO (10-1000 Гц). Показано, что для возможных значений магнитных полей нейтронных звезд (соответствующие дипольые магнитные моменты /¿ = 10-26-1032 [Гс см3]) и сплюснутостей (б = 10-9-10~4) на всех частотах ниже ~ 103 Гц может существовать фон от старых вращающихся нейтронных звезд. Физически это связано с неспособностью частоты вращения старых нейтронных звезд выйти из частотного интервала Д/ ~ / за характерное время между вспышками сверхновых. Если торможение вращения старых нейтронных звезд связано только с потерями энергии на излучение ГВ, то стохастический ГВ-фон не зависит от неизвестного параметра е и может быть обнаружен лазерными интерферометрами типа LIGO-II за год непрерывных наблюдений. Любой дополнительный сток энергии всегда в конечном счете уменьшает амлитуду фона, т.к. уменьшает число источников, одновременно находящихся в рассматриваемом интервале частот.

В третьем параграфе рассматривается ГВ-фон от неразрешенных двойных звезд в частотном диапазоне космического интерферометра LISA (Ю-4 — Ю-1 Гц). Ставился вопрос: на какой частоте фон от неразрешенных двойных систем Галактики лежит ниже предполагаемого уровня чувствительности детектора LISA? Иными словами, начиная с какой частоты мы можем быть уверены, что регистрируемый одним детектором ГВ-фон не имеет отношение к неразрешенным известным астрофизическим источникам (двойным системам нашей и других галактик), и таким образом если на этих частотах какой-то фон и регистрируется, то он с большой вероятностью имеет космологическую природу? На частотах 10~3 — Ю-1 Гц ГВ-фон от двойных звезд зависит только от галактической частоты сливающихся двойных белых карликов и тем самым не зависит от многих (часто модельных) деталей звездной эволюции, которыми определяется детальный вид спектра в области

максимума на частотах 10~5 — Ю-'1 Гц (см. [7], [18]). Приводится результат расчета ГВ-фона от галактических двойных звезд методом популяционного синтеза и показывается, что на планируемом уровне шумов космического лазерного ГВ-интерферометра LISA фон от двойных систем Галактики оказывается существенным вплоть до частот 0.03 — 0.1 Гц. Для того, чтобы на этих частотах космологический реликтовый ГВ-фон мог бы детектироваться одним интерферометром LISA, его плотность энергии должна быть не менее

ю-8.

В четвертом параграфе изучается ГВ-фон, создаваемый внегалактическими двойными звездами с учетом эволюции глобального темпа звездообразования во Вселенной и эволюции числа слияний двойных белых карликов в галактиках. Расчет велся для трех различных космологических моделей: плоская модель без космологической постоянной, плоская модель с космологической постоянной и открытая модель без космологической постоянной. Показано, что фон от внегалактических двойных может оказаться сравнимым или даже сильнее галактического, если момент начала звездообразования не меньше z* и 5. Если фон от источников Галактики анизотропен и будет промодулирован орбитальным движением интерферометра, то отстроиться от изотропного внегалактического фона будет гораздо сложнее. Это обстоятельство сильно затруднит регистрацию возможного реликтового фона ГВ с помощью интерферометра LISA на частотах меньше 3 х Ю-2 Гц, если только плотность энергии реликтового фона ГВ не окажется больше 10~8.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации, и кратко сформулированы основные нерешенные вопросы.

Научная новизна

Новизна диссертации состоит в

1. применении метода популяционного синтеза для исследования зависимости темпа слияний компактных релятивистских двойных звезд от анизотропной скорости, приобретаемой компактным остатком при коллапсе и от параметров образования черных дыр;

2. расчете числа регистрируемых слияний двойных нейтронных звезд и черных дыр на лазерном гравитационно - волновом интерферометре с заданной чувствительностью;

3. получении оценки энергии, выделяемой при коллапсе в гравитационных волнах, по наблюдаемому распределению скоростей радиопульсаров;

4. изучении гравитационно-волнового сигнала при анизотропном излучении нейтрино в сильных магнитных полях в астрофизических источниках;

5. исследовании стохастического гравитационно - волнового фона от неразрешенных астрофизических галактических и внегалактических источников (двойных звезд, старых нейтронных звезд)

Результаты выносимые на защиту

1. Расчет методом популяционного синтеза темпов слияний тесных двойных нейтронных звезд из-за уноса орбитального момента импульса гравитационным излучением. Изучена зависимость частоты таких событий в Галактике от параметров сценария звездной эволюции и показано, что наибольшее влияние на нее оказывает анизотропная скорость, которую приобретает нейтронная звезда во время коллапса. Для наблюдаемого распределения пульсаров по скоростям эта частота оказывается 1 раз в 10000 лет на Галактику.

2. Расчет методом популяционного синтеза зависимости га-.лактической частоты слияния тесных двойных звезд с черными дырами от параметров образования черных дыр (критической массы массивной звезды, начиная с которой в ходе коллапса образуется черная дыра, и доли массы, идущей в черную дыру). Для большинства параметров эволюции эта частота ~ 1 раз в 100000 лет на Галактику.

3. Расчет методом популяционного синтеза частоты регистрации слияний двойных нейтронных звезд, нейтронных звезд и черных дыр и двойных черных дыр на гравитационно-волновом детекторе при различных сценариях и параметрах эволюции звезд (распределение анизотропной скорости нейтронных звезд, темпы потери массы звездным ветром на стадии до образования компактного остатка, эффективность стадии с общей облочкой, параметры образования черных дыр). Показано, что для реалистичных параметров звездной эволюции, полученных из наблюдаемых ограничений на число радиопульсаров с черными дырами и источников типа Лебедь Х-1, число регистрируемых слияний двойных черных дыр должно в 10-100 раз превышать число слияний двойных нейтронных звезд. Рассчитано ожидаемое число таких слияний для гравитационно-волновых лазерных интерферометров типа LIGO, VIRGO, GEO-600 с чувствительностью hrma = 10~21 на

частоте 100 Гц за 1 год непрерывной работы такого детектора.

4. Определение нижнего предела на эффективность гарви-тационно - волнового излучения во время асимметричного коллапса сверхновых типа II и lb по наблюдаемому распределению пульсаров по пространственным скоростям. Среднее значение этой величины egw = 5 х Ю-6 для Лайн-Лоримеровского распределения скоростей пульсаров. Построено ожидаемое распределение log N(> /г.) — log h от вспышек сверхновых типа II и lb с учетом наблюдаемого распределения галактик различных типов внутри ближайших 30 Мпк.

5. Предложен новый тип астрофизических источников гравитационных волн, связанный с асимметричным излучением нейтрино в сильных магнитных полях. Сигнал от этих источников промодулирован частотой вращения нейтронной звезды даже при аксиально-симметричной форме фигуры звезды. Амплитуда гравитационно-волнового сигнала пропорциональна нейтринной светимости и может регистрироваться на уровне чувствительности h = Ю-21 от галактических объектов при нейтринных светимостях порядка 1051 эрг/с. Такие источники могут возникать при формировании объектов типа Торна-Житковой, вспышках сверхновых и на последних стадиях слияния нейтронных звезд с сильными магнитными полями.

6. Построение методом популяционного синтеза спектра гравитационно - волнового фона, связанного с неразрешенными астрофизическими источниками при наблюдении широкополосными детекторами - двойными звездами (на частотах 10~5 — Ю-1 Гц) и старыми нейтронными звездами (на частотах 1 — 100 Гц). Показано, что для обнаружения физически интересного космологического гравитационно- волнового фона космическим лазерным интерферометром LISA плотность энергии фона в логарифмическом интервале частоты должна быть не менее Ю-8 от критической плотности энергии на частоте Ю-2 Гц.

Личный вклад автора

1. Автором лично была разработана и написана часть комплекса компьютерных программ "Машина Сценариев" для моделирования эволюции двойных звезд с массами меньше 10 М& с учетом эволюции замагниченных компактных остатков. В написании всего комплекса программ участвовали также В.М.Липунов (автор идеи и первые расчеты эволюции массивных звезд), М.Е.Прохоров (автор алгоритмов расчетов эволюции звезд по методу Монте-Карло), И.Е.Панченко (разработка блоков программы для более детального исследования слияний компактных двойных и визуализация треков), С.Б.Попов (разработка блоков программ для сбора статистики при расчетов эволюции двойных после вспышки звездообразования).

2. Автором были проведены первые расчеты слияний двойных белых карликов различных типов после мгновенной вспышки звездообразования.

3. Автору принадлежит идея оценки эффективности ГВ-излучения от сверхновых звезд по наблюдаемому распределению пульсаров по скоростям. Построение кумулятивного распределения амплитуды ГВ-сигналов от вспышек сверхновых с учетом распределения вещества в 30 Мпк окрестности Галактики проведено С.Н.Назиным.

4. Автору принадлежит идея рассчетов ГВ-излучения при формировании объекта типа Торна-Житковой. Рассчеты ГВ-форм были проведены совместно с С.Н.Назиным.

5. Автору принадлежит идея нового астрофизического источника ГВ, возникающего при гиперкритической аккреции на нейтронную звезду из-за асимметричного излучения нейтрино в сильном магнитном поле ("гравитационно-волновой пульсар") и часть аналитических расчетов ГВ-форм от такого объекта. Часть аналитических расчетов и численное моделирование ГВ-форм проводилось С.Н.Назиным

6. Автором были рассчитаны первые спектры стохасти-

ческого ГВ-фона от двойных звезд нашей Галактики и принадлежат аналитические оценки ГВ фона от неразрешенных источников с изменяющейся частотой, а также влияние космологических эффектов и эволюции глобального темпа звездообразования на ГВ-фон от внегалактических двойных. Численные расчеты проводились совместно с М.Е.Прохоровым и Д.И.Косенко.

Остальные результаты были получены в соавторстве с В.М.Липуновыим и М.Е.Прохоровым. Личное участие в этих совместных работах равное.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается:

1. в расчете ожидаемого числа гравитационно-волновых событий от слияний компактных двойных звезд на лазерном интерферометре типа LIGO первой очереди за год наблюдений для различных параметров эволюции массивных двойных звезд и образования компактных остатков, что важно для планировании стратегии обработки сигнала в готовящихся экспериментах по поиску гравитационных волн;

2. в изучении стохастического гравитационно-волнового фона от галактических и внегалактических двойных звезд в диапазоне космического лазерного интерферометра LISA (Ю-4 — Ю-1 Гц), который носит характер дополнительного шума при наблюдении одним интерферометром LISA и ухудшает отношение сигнал/шум для других источников в этом диапазоне.

Результаты диссертации могут быть использованы при изучении астрофизических источников гравитационных волн в ГАИШ МГУ (проект ЛИНГРАН), на физическом факультете

МГУ, ИКИ РАН, ФТИ им. Иоффе РАН (СПб), ИнАсАН, а также зарубежными институтами и лабораториями, занятыми в проектах LIGO (Caltech, MIT), VIRGO (LAPP (Annecy, Fr.), ESPCI (Paris, Fr.), INFN (Pisa, Frascatti, Napoli, Perujia - It.), LAL (Orsay, Fr.), GEO-6OO (AIP Potsdam, Dc., U. of Wales, U. of Glasgow, UK), TAMA-300 (U. of Tokyo, Mitaka Nat. Astron. Observatory, Jp.), и в лабораториях, занятыми изготовлением твердотельных ГВ-детекторов (проекты EXPLORER и NAUTILUS (INFN, Rome, It.), AURIGA (Padova, It.), TIGA и др.).

Апробация

Основные результаты, полученные в диссертации, устно докладывались лично автором на многих отечественных и международных конференциях.' В их числе:

1. Международные конференции по Космомикрофизике "Космион-94", "Космион-96", "Космион-97'' (Москва)

2. Международная конференция по астрофизике памяти Г.А.Гамова (Одесса, Санкт-Петербург, сентябрь 1995)

3. Совещания "Физика нейтронных звезд", Санкт-Петербург, ФТИ им. Иоффе, 1995, 1997

4. Международная конференция "Snowmass-94: Particle and Nuclear Astrophysics and Cosmology in the Next Millenium" (Сноумасс, Колорадо, США)

5. Международный симпозиум "29th ESLAB Symposium: Toward the Source of Gamma-Ray Bursts" (1995, Ноордвайк, Нидерланды)

6. Международная конференция "Gravitational Waves: Sources and Detectors" (1996, Пиза, Италия)

7. Международная школа "9th International School: Particles and Cosmology" (1997, Баксан, Россия)

8. Международная конференция по Общей теории относительности и гравитации "GR 15" (1997, Пуне, Индия)

Кроме того, автор неоднократно выступал с докладами по

теме диссертации на семинарах ГАИШ МГУ, ФИАН РАН, ФТЙ им. Иоффе РАН, Лаборатории Космических Излучений института RIKEN (Япония), Токийского университета, физического факультета университета Уэльса (Кардифф, Великобритания) и других.

Публикации по теме диссертации:.

Результаты изложенные в диссертации были опубликованы в следующих работах:

1. Постнов К.А., Прохоров М.Е. "Galactic Binary Gravitational Wave Noise within LISA Frequency Band", Astrophys. J., v. 494, p. 447-552, 1998.

2. Постнов K.A., Прохоров М.Е. "On the stochastic gravitational Radiation Background produced by an Ensemble of Single Neutron Stars", Astron. Astrophys., v. 327, p. 428-431, 1997.

3. Prokhorov M.E., Lipunov V.M., Postnov K.A. "Merging Rates of Compact Binaries in the Universe: Gravitational Waves and Gamma-ray Bursts", in "Very High Energy Phenomena in the Universe", Eds. Y. Giraud-Heraud, J. Tran Thanh Van (Paris: Editions Frontieres), p. 319-328, 1997.

4. Косенко Д.И., Постнов K.A. "On the Gravitational Wave Noise from Unresolved Extragalactic Binaries", Preprint LANL astro-ph/9801032, 1998.

5. Nazin S.N., Postnov K.A., "High Neutron Star Birth Velocities and Gravitational Radiation during Supernova Explosions", Astron. Astrophys. v. 317, p. L79-L81, 1997.

6. Назин C.H., Постнов K.A. "Гравитационно-волновой 'пульсар' внутри объекта типа Торна-Житковой", Письма в Астрон. Журн. 23, с. 1-8, 1997.

7. Postnov К.А., Nazin S.N., "Gravitational Wave Emission during Thorne-Zytkow Object Formation and Gravitational Wave 'Pulsars'", in Gravitational Waves: Sources and Detectors, Eds. I.Ciufolini and F.Fidecaro (Singapore: World Scientific), p.34-36, 1997.

8. Постнов К.A. "Astrophysieal Sources of Stochastic Gravitational Radiation in the Universe", In Proceedings of 1997 Bak-san International School on Astroparticle Physics, Preprint LANL astro-ph/9706053, 1997.

9. В.М.Липунов, К.А.Постнов, М.Е.Прохоров "Черные дыры и гравитационные волны: возможность одновременного обнаружения на лазерных детекторах первого поколения" ПАЖ, т. 23, с. 563-568, 1997.

10. Lipunov V.M., Postnov К.А., Prokhorov М.Е. "Formation and coalescence of relativistic binary stars: effect of kick velocity" MNRAS, v.288, p.245-259, 1997.

11. М.Е.Прохоров, К.А.ПЬстнов "Прямое наблюдение анизотропной скорости при рождении нейтронной звезды в двойном пульсаре PSR В1259-63" ПАЖ, т. 23, с. 503-508, 1997.

12. Lipunov V.M., Postnov К.А., Prokhorov М.Е., "First LIGO events: binary black holes mergings", New Astronomy, v. 2, p. 4352, 1997.

13. Lipunov V.M., Postnov K.A., Prokhorov M.E., "The Scenario Machine: Binary Star Population Synthesis'", Astroph. Space Phys., ed. R.A. Sunyaev (Amsterdam: Harwood Acad. Publishers), v. 9, p. 1-178, 1996.

14. Lipunov V.M., Postnov K.A., Prokhorov M.E. "The Scenario Machine: restrictions on key parameters of binary evolution"-, Astron. Astrophys., v. 310, p. 489-507, 1996

15. Lipunov V.M., Nazin S.N., Panchenko I.E., Postnov K.A., Prokhorov M.E. "Gravitational Wave Sky", Astron. Astrophys. Transact., v. 10, p. 53-58, 1996.

16. Bender P., Bloom E., Cominsky L., Ford H., Harmon A., Michelson P., Novikov I., Postnov K., Scargle J., Swank J., Wheeler J.C., Wood K. "Black Hole Astrophysics", 1995, in Particle and Nuclear Astrophysics and Cosmology in the next Millenium, Eds. E.W.Kolb and R.D.Peccei (Singapore: World Scientific), p. 377-397, 1995..

17. Nazin S.N., Postnov K.A., "Gravitational Radiation during

Thorne-Zhytkow Object Formation", Astron. Astrophys. 303, p. 789-794, 1995.

18. Lipunov V.M., Postnov K.A., Prokhorov M.E., Panchenko I.E., Jorgensen H.E., "Evolution of the double neutron star merging rate and the cosmological origin of the gamma-ray burst sources", ApJ, v. 454, p. 595-596, 1995

19. Lipunov V.M., Panchenko I.E., Postnov K.A., Prokhorov M.E., "Test for coalescing binary neutron star as cosmological origin of gamma-ray bursts", Space Sci. Rev., v. 74, p. 369-372, 1995.

20. Jorgensen H.E., Lipunov V.M., Panchenko I.E., Postnov K.A., Prokhorov M.E., "Cosmological rates of coalescing neutron stars and GRB", 1995, Astrophysics and Space Science, v.231/1-2, p.389-392 ("Toward the Source of Gamma-Ray Bursts", Proc. of 29th ESLAB Symp., held at ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 25-29 April 1995, Eds. J.Dyson and J.Rahe).

21. Lipunov V.M., Nazin S.N., Panchenko I.E., Postnov K.A., Prokhorov M.E. "The Gravitational Wave Sky", Astron. Astrophysics, v. 298, p. 677-687, 1995.

22. Prokhorov M.E., Postnov K.A. "Spatial Distribution of Old Neutron stars - Semianalytical Considerations", Astronomy and Astrophysics, v. 286, p. 437-443, 1994.

23. Lipunov V. M., Postnov K. A. The joint evolution of normal and compact magnetized stars in close binaries - Analytical description and statistical simulation. Astrophys. Space Sci. v. 145, p. 1-45, 1988.

24. Lipunov V.M., Postnov K.A., Prokhorov M.E., "The sources of gravitational waves with continuous and discrete spectra", Astron. Astrophys., v. 176, p. L1-L4, 1987.

25. Липунов B.M., Постнов K.A., "Спектр гравитационного излучения от двойных систем", Астрон. Журн. т. 64, с. 438442, 1987.

Литература

[1] Грищук Л.П. 1988, Успехи Физ. Наук 156, 297.

[2] Грищук Л.П. 1997, Class. Quantum Grav. 14, 1445.

[3] Зельдович Я.Б., Иванова Л.H., Надежин Д.К. 1972, Sov. Astron. 16, 209.

[4] Имшенник B.C., Попов Д.В.1994, Письма в Астрон. Журн. 20, 620.

[5] Липунов В.М. 1988, Астрофизика нейтронных звезд, (Москва: Наука).

[6] Липунов В.М., Назин С.Н., Панченко И.Б., Постнов К.А., Прохоров М.Е. 1995, Astron. Astrophys. 298, 677.

[7] Липунов В.М., Постнов К.А., Прохоров М.Е. 1987, Astron. Astrophys. 176, LI.

[8] Липунов В.M., Постнов К.А., Прохоров М.Е., Осминкин Е.Ю. 1994, ApJ 423, L121.

[9] Липунов В.М., Постнов К.А., Прохоров М.Е. 1997, MNRAS 288, 245.

[10] Липунов В.М., Постнов К.А., Прохоров М.Е. 1996 Astron. Astrophys. 310, 489.

[И] Прохоров М.Е., Липунов В.М., Постнов К.А. 1997, in Very High Energy Phenomena in the Universe, eds. Y. Giraud-Héraud, J. Tïân Thanh Van (Paris: Editions Frontières), p. 319.

[12] Сажин M.В., Устюгов С.Д., Чечеткин В.М. 1996, Письма ЖЭТФ 64, 817.

[13] Тутуков А.В., Юнгельсон Л.Р. 1993, MNRAS 260, 675.

[14] Черепащук A.M. 1996, Успехи Физ. Наук 166, 809.

[15] Abramovici A., Althouse W.E., Drever R.W.P. et al. 1992, Science 256, 281.

[16] Chevalier R.A. 1993, ApJ 411, L33.

[17] Clark J.P.A., van den Heuvel E.P.J., Sutantyo W. 1976, Astron. Astrophys. 72, 120.

[18] Hils D.L., Bender P., Webbink R.F. 1990, ApJ 360, 75.

[19] Kaspi V.M., Bailes M., Manchester R.N. et al. 1996, Nature 381, 584.

[20] Lai D., Shapiro S.L. 1995, ApJ 442, 259.

[21] Lyne A.G., Lorimer D.R. 1994, Nature 369, 127.

[22] Melatos A., Johnston S., Melrose D.B. 1995, MNRAS 275, 381.

[23] Meszäros P., Rees M.J. 1992, ApJ 397, 570.

[24] Müller E., Janka H.-Th. 1997, Astron. Astrophys. 317, 140.

[25] Phinney E.S. 1991, ApJ 380, L17.

[26] Portegies Zwart S.F., Yungelson L.R. 1997, Astron. Astrophys. (submitted) (astro-ph/9710347).

[27] Taylor J.H. 1992, Phil. Trans. Roy. Soc. London A341, 117.

[28] Tully R.B. 1988, Nearby Galaxies Catalog (Cambridge: Cambridge Univ. Press).

[29] van den Heuvel E.P.J., Lorimer D.R. 1996, MNRAS 283, L37.

[30] Wagoner R. 1984, ApJ 278, 345.