10 нови събития за сливане в данни за гравитационни вълни – небе и телескоп


Двоична черна дупка
Симулирано изображение на сливането на двоична черна дупка.
SXS обектив

Обединените колаборации LIGO, Virgo и KAGRA (LVK) досега са изчислили 90 събития с гравитационни вълни, почти всички от които са били сливане на две черни дупки. От общо 44 са заловени по време първата половина на третото наблюдение на детекторитенаречен O3a, който продължи от април до октомври 2019 г.

Но изследователите на LVK не са единствените, които търсят данните. Сътрудничеството прави данните публични, за да ги изследват други учени, а независими екипи се гмурнаха със свои собствени техники за анализ.

Един от тези екипи е международна група със своя център в Института за напреднали изследвания (IAS) в Ню Джърси, който през 2019 г. разкри седем допълнителни сливания от второто наблюдение. Изследователите вече са разгледали по-новите данни за O3a, използвайки само събития, наблюдавани от двата сайта на LIGO. Този анализ показа 10 нови кандидат-сливания и също така възстанови един, който сътрудниците на LVK са отхвърлили, Сет Олсън (Принстън) съобщи по-рано този месец на срещата на Американското физическо дружество.

Но не можем просто да добавим тези 11 към 90. Въпросът за гравитационните вълни е, че не можем просто да погледнем към небето и да кажем: „О, виждам ги!“ Нуждаем се от изчислителни „очила“. И кои очила използваме има значение.

Изследователите откриват гравитационни вълни, като измерват безкрайно малкото разтягане и притискане, което вълните на пространството и времето предизвикват в инструменти с километров мащаб. Тези промени са от порядъка на 10−21, еквивалентно на коригиране на размера на земната орбита с ширината на водороден атом. Вълните също се крият в много шум, както от самото оборудване, така и от околната среда, независимо дали това е вятър, дърводобив или кълване на птици.

За да извадят сигналите, изследователите на LVK разполагат с няколко тръбопроводи, вериги от изчислителни процеси, които почистват и оценяват данните. Някои тръбопроводи разчитат на банки от шаблони, огромни библиотеки с потенциални сигнални форми, които теоретиците са изчислили предварително за различни видове събития. Други тръбопроводи използват по-агностичен подход, просто търсят излишък вместо специфични сигнали.

Изборът, направен в тези тръбопроводи, определя кои сигнали изскачат от фона – с други думи, коригирайте предписанието и коригирате това, което виждате. Например, поради предположенията за обхвата на завъртания на сливащите се обекти, LVK предпочита по-малки завъртания при тяхното откриване.

Други екипи използват свои собствени тръбопроводи, със свои собствени предположения и приоритети. Конвейерът на IAS подобрява изчислителната ефективност, но също така прави неща като игнориране на някои от най-силните събития, за да бъде по-чувствителен към тихите. Неговият набор от предположения прави екипа на IAS по-малко чувствителен към най-вероятните събития, но по-чувствителен към екзотичните, обясни Олсън по време на пресконференция.

Благодарение на тези избори, тръбопроводът на IAS „загуби“ шест събития от O3a, но спечели 11. Статистически погледнато обаче, три от новите откривания вероятно ще бъдат случайни.

разширяващ се модел на вълни, създаден от сливане на черни дупки
Неподвижно изображение от симулация на сливане на две черни дупки с много различни маси, люлеещи се една около друга в своята вдъхновяваща орбита. По-червените цветове представляват по-силни вълни. Тази симулация съвпада с характеристиките на GW190412, които както LVK, така и IAS тръбопроводите откриха.
Н. Фишер, Х. Пфайфър, А. Буонано (Институт за гравитационна физика Макс Планк), Сътрудничество за симулиране на екстремни пространствени времена (SXS)

Вкус към екзотиката

Преди откритията на гравитационните вълни астрономите очакваха черните дупки да имат маси между 5 и 50 слънца. Долната граница е мистериозна, базирана на факта, че не сме открили куп от тези по-малки черни дупки; няма теоретични основи. Горната граница се дължи на звездната физика: звездите, достатъчно масивни, за да направят черна дупка между 50 и 120 слънчеви маси, няма да го направят – вместо това те ще се разпръснат на парчета. (Е, вероятно.)

Откриванията на LVK включват малка част от обекти извън тези граници, а кандидатите за IAS добавят още няколко. Те включват GW190711_030756, сливането на черна дупка с приблизително 80 слънчева маса с такава с 18 слънчева маса, и GW190704_104834, при която черна дупка със 7 слънчева маса се сля с 3,2-подобен черен обект с слънчева маса дупка).

Няколкото обекта с ниска маса не решават мистерията при ниски маси – по-лесно е да се правят по-малко масивни звезди, така че трябва да има повече малки черни дупки, отколкото големи, а няма. Може би звездите експлодират по начин, който естествено създава остатъци от поне 5 слънчеви маси. Обратно, мощните черни дупки са потенциално странични продукти от предишно поколение сливания или могат да показват, че реакциите на синтез вътре в звездите не са толкова ефективни, колкото си мислим.

Тръбопроводът на IAS също така забеляза събитие кандидат, което включваше голяма черна дупка, която се върти почти на главата си около своя спътник: GW190910_012619, сливането на черна дупка с 34 слънчева маса с обект с 2,9 слънчева маса. „Толкова малко вероятно би било това да идва от две черни дупки, които са били заедно през целия си живот“, казва Олсън. Въпреки че сме виждали признаци на неправилни завъртания и преди, това е драматично. Не оставя никакво съмнение, че двете черни дупки са се свързали късно в живота. „Всеки ще каже: „Да, това вероятно е улавяне или някаква луда множествена система, която е причинила това.“ По-специално, обаче, това събитие има една от най-ниските вероятности да бъде истински астрофизичен сигнал.

Екзотични събития като тези са ключови за разплитането на това как се образуват двоични черни дупки, както и колко голяма или малка може да бъде черната дупка.

засенчени области, показващи различни възможни стойности на спин и маса
Определянето на масите на две сливащи се черни дупки и как те се въртят една около друга не е лесно: информацията е преплетена в данните и така всяко събитие включва набор от възможни маси и завъртания, като промените в един параметър засягат стойностите на останалите. (Защрихованите контури показват 50% и 90% вероятност.) Независимо от това, за всички разглеждани маси (m1 и m2), събитието GW190910 очевидно имаше черна дупка, въртяща се почти на главата си (отрицателни стойности на хи ефективно). Това е вярно, независимо дали използвате предположенията на IAS (синьо) или тези на LVK (оранжево).
Сет Олсън / Принстън

Сътрудничеството на LVK следи събитията, открити от независими екипи, и сравнява анализите с техните собствени. „Радваме се, че хората гледат на данните от нови гледни точки и с нови инструменти“, казва говорителят на LIGO Патрик Брейди (Университета на Уисконсин, Милуоки). Някои събития, като напр четири открити от Александър Ниц (Макс Планк институт за гравитационна физика, Германия) и други миналата година, по-късно са включени в каталога на LVK, когато изследователите на LVK се върнаха и направиха по-задълбочен анализ, казва Брейди. Но те не могат просто да добавят новите независими открития към собствения си каталог, защото това ще подкопае способността на LVK да анализира чисто цялата популация от сливания.

„Това е красотата на младо поле като астрономията с гравитационни вълни“, добавя Брейди. “Всяко ново наблюдение и всеки анализ на данните подобряват разбирането ни за Вселената много бързо.”

Изследователите на LVK сега насочват вниманието си към четвъртото наблюдение, което трябва да започне през декември. Те очакват да открият сливане на всеки няколко дни. Тъй като събитията се натрупват и чувствителността се подобрява, странните топки и подкласовете ще станат по-изследвани.

Можете да прочетете повече за това какво са ни научили гравитационните вълни за черните дупки в нашия брой от юни 2022 г.

Препратки:

S. Olsen et al. “Нови сливания на двоични черни дупки в данните на LIGO-Virgo O3a” arXiv.org 9 февруари 2022 г.

AH Nitz et al. “3-OGC: Каталог на гравитационни вълни от компактно-бинарни сливанияАстрофизичен вестник. 20 ноември 2021 г.