Краткий разбор GW170817 — что именно удалось ограничить и что нужно для серьёзного улучшения выводов.
1) Скорость гравитации (c_g)
- Наблюдались гравитационные волны и гамма‑всплеск GRB170817A с задержкой примерно $\Delta t\approx 1.7\mathrm{s}$ при расстоянии порядка $\sim 40\mathrm{Mpc}$, что даёт относительную оценку порядка $\Delta t/(D/c)\sim 4\times 10^{-16}$.
- Формальный консервативный предел LIGO/Virgo: $|c_g-c|/c\lesssim 3\times 10^{-15}$.
- Последствие: исключение большого класса модифицированных гравитационных теорий (часть моделей Хорндески и др.), которые предсказывают заметно отличную скорость ГВ от скорости света.
2) Уравнение состояния нейтронной материи (EOS)
- GW‑аналитика дала ограничения на т.н. сводную деформацию («tidal deformability») $\tilde{\Lambda }$; типичное верхнее значение на $90\%$ доверительном уровне $\tilde{\Lambda }\lesssim 800$ (зависит от приорных допущений по спинам).
- Это склоняет баланс в пользу «умеренно мягких» EOS и даёт ограничения на радиусы одиночных звёзд: для звезды с массой $1.4M_{\odot }$ оценка примерно $R_{1.4}\sim 11-13\mathrm{km}$ (порядок величин, диапазон зависит от методики).
- Комбинация GW‑данных и EM‑сигналов (килонова, реликтный ремнант) дала дополнительные ограничения на максимум массы невращающейся НЗ $M_{\mathrm{TOV}}$ — совместимые оценки $M_{\mathrm{TOV}}$ порядка $\sim 2.0-2.3M_{\odot }$ (зависит от модели ремnant и эвакуации массы).
- Вывод: GW170817 впервые дала прямые динамические ограничения на внутреннюю структуру НЗ (через $\Lambda$ и радиусы), но неопределённости ещё велики.
3) Космологические параметры (Hubble constant)
- GW170817 с идентифицированной хост‑галактикой NGC4993 позволил измерить постоянную Хаббла методом «standard siren»:
$H_0=70_{-8}^{+12}\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$ (первое измерение LVC, 68% доверительный интервал).
- Основные ограничения: наклонено неполной точностью дистанции (инклинация‑дистанция вырождение) и локальными peculiar velocity хоста. Требуются статистика многих событий для конкурентного уровня точности.
4) Другие тесты общей теории и физики
- Ограничения на дисперсию/массу гравитона из BNS менее сильны, чем от BBH, но сочетание событий усиливает общие тесты.
- Наблюдения EM (космическая синхронность, спектры килоновы) предоставили данные по нуклеосинтезу r‑процессов, выбросам массы и углам джета.
Что повысит точность в будущем (какие наблюдения и почему важны)
1) Раннее оповещение (pre‑merger warning)
- Позволит поймать искровую/предвестную EM‑активность и особенно первый момент эмиссии короткого ГРБ; это уменьшит неопределённость в относительном эмиссионном лаге и даст более строгие пределы на $|c_g-c|/c$.
- Практический эффект: если удастся поймать «первую» EM‑импульсацию с погрешностью времени $\ll 1\mathrm{s}$, предел на $|c_g-c|/c$ можно улучшить на порядок–два, пока остаточным ограничителем будет физический эмиссионный лаг.
2) Широкополосные и быстрые EM‑последствия (глубокая и ранняя UV/optical/IR/X/γ/radio покрытие)
- Полные спектрально‑временные кривые килоновы дадут лучшую оценку выброшенной массы, скоростей и opacities → более строгие ограничения на статус ремнанта (prompt collapse vs. HMNS) → точнее для $M_{\mathrm{TOV}}$ и EOS.
- Высокая чувствительность спектроскопии kilonova позволяет напрямую определять состав r‑процесс нуклидов и массу эвакуированной оболочки, что сужает модели столкновения и связанный диапазон EOS.
3) Улучшенная сеть GW‑детекторов и чувствительность
- Больше детекторов (LIGO India, KAGRA улучшения) → лучшее локализование и быстрая координация EM‑наблюдений.
- Повышение чувствительности (A+, Voyager, а затем 3‑го поколения — Einstein Telescope, Cosmic Explorer) даст:
- больше событий BNS в год (с ростом объёма до многотысяч), что позволит статистические $H_0$ измерения с погрешностью $\lesssim$ несколько процентов при десятках–сотнях событий и до субпроцентного уровня для 3G;
- точные измерения тидальных параметров $\tilde{\Lambda }$ для каждого события (сокращение погрешности на порядок и возможность рекострукции EOS) — ожидание: радиусы с точностью $\lesssim 0.5\mathrm{km}$ при 3G;
- детекция пост‑мергера (kHz) сигналов при улучшенной чувствительности на $\sim$1–4 kHz даст прямые осцилляционные частоты ремнантов, что критично для точного определения радиусов и $M_{\mathrm{TOV}}$.
4) Больше событий с EM‑идентификацией и «dark sirens»
- Нарастающая статистика «standard sirens» с опознанным хостом: $\sim 50-100$ событий приведут к измерению $H_0$ с погрешностью порядка нескольких процентов.
- «Dark sirens» (без EM, но с перекрёстной статистической ассоциацией с галактическими каталогами) при большом числе событий тоже дадут конкурентную точность.
5) Полезные дополнения: нейтрино, поляризация, спектроскопия рентгена
- Регистрация нейтрино от ближайших слияний даст дополнительные ограничения на механизм взрыва и сроки эмиссии.
- Лучшие поляризационные измерения ГВ (сеть детекторов) улучшат тесты альтернативных теорий и дисперсии волн.
Короткая сводка по ожидаемым улучшениям (порядки величин)
- Скорость гравитации: текущий предел $|c_g-c|/c\lesssim 3\times 10^{-15}$; потенциальное улучшение при подходящих событиях и коротких эмиссионных лагах — до $\lesssim 10^{-16}$ или лучше (но ограничено физическими задержками EM‑излучения).
- EOS: от нынешних диапазонов радиусов $R_{1.4}\sim 11-13\mathrm{km}$ к точности $\lesssim 0.5\mathrm{km}$ с 3G и детекцией пост‑мергера.
- H_0: от $H_0=70_{-8}^{+12}\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$ до процентов или субпроцентной точности при накоплении десятков–сотен событий и/или использовании 3G.
Вывод: GW170817 дала прорывные, но начальные ограничения на скорость гравитации, EOS и $H_0$. Существенный прогресс потребует: ранних оповещений и полного многодиапазонного EM‑покрытия, расширенной и более чувствительной сети GW‑детекторов (особенно лучшей высокой‑частотной чувствительности для пост‑мергера) и большого числа событий.