LIGO signalas ir galimos pirminės juodosios skylės

Vėlyvą lapkričio naktį lazerinė interferometrinė gravitacinių bangų observatorija užfiksavo netikėtą signalą: susijungimą, kuris, jei tikras, apėmė objektą, lengvesnį už mūsų Saulę. Tas vienintelis blyksnis privertė teorikus sugrįžti prie kelių dešimtmečių spėjimų apie pirmines juodąsias skyles ir paskatino stebimuosius kosmologus skubėti ieškoti patvirtinimo.

Kai duomenys netelpa į vadovėlį

Lazerinės interferometrinės gravitacinių bangų observatorijos, tokios kaip LIGO, klausosi paties erdvėlaikio. Jos užfiksuoja bangavimus, susidarančius susidūrus kompaktiems objektams - juodosioms skylėms, neutroninėms žvaigždėms. Dauguma aptikimų atitinka tai, ko tikimasi iš žvaigždžių evoliucijos: masyvių žvaigždžių liekanos, kurių masė siekia dešimtis kartų Saulės masės ar daugiau. Taigi kaip interpretuoti signalą, kuris rodo susijungimą su mase mažesne nei Saulės?

Praėjusiais metais Lazerinė interferometrinė gravitacinių bangų observatorija išsiuntė automatizuotą įspėjimą apie kandidatinį įvykį, kuris kvestionavo šią prielaidą. Vienas komponentas atrodė svėręs mažiau nei vieną Saulės masę. Tradicinė astrofizika turi sunkumų paaiškinti tokių lengvų kompaktiškų objektų susidarymą žvaigždžių kolapso metu. Tai atveria duris egzotiškesnei kilmei: pirminės juodosios skylės, susiformavusios pirmosiomis Didžiojo sprogimo akimirkomis.

Lazerinės interferometrinės gravitacinių bangų observatorijos (LIGO) oro fotografija Livingston mieste, Luizianoje, kuri praėjusiais metais užfiksavo neįprastą banginį signalą iš tolimų kosmoso platybių. 

Kas yra pirminės juodosios skylės ir kodėl jos svarbios

Pirminės juodosios skylės yra hipotetinės. Skirtingai nei juodosios skylės, susidarančios masyvioms žvaigždėms žuvus, šios būtų kondensavusios iš itin didelių tankio svyravimų ankstyvajame visatos etape, dar prieš atsirandant žvaigždėms. Joms prognozuojamos masės apima milžinišką intervalą: nuo smulkių, asteroido dydžio kūnų iki daug kartų didesnių už Saulę. Idėja siekia J. Zeldovičiaus ir I. Novikovo darbus, vėliau plėtota S. Hawkingo ir kitų.

Kodėl tai svarbu dabar? Nes jei tokių objektų yra pakankamai, pirminės juodosios skylės galėtų sudaryti dalį ar net visą tamsiąją materiją - nematomą masę, laikantį galaktikas kartu. Tai perkurtų dalis kosmologijos supratimo. Tačiau duomenys turi diktuoti istoriją; neįprastiems teiginiams reikia įtikinamų ir kartojamų įrodymų.

Majamio universiteto analizė

Tyrėjai iš Majamio universiteto, vadovaujami asocijuotojo profesoriaus Nico Cappelluti ir doktoranto Alberto Magaraggia, nusprendė patikrinti, ar keistas LIGO kandidatas yra suderinamas su pirminės kilmės scenarijumi. Jų skaičiavimai įvertino, kiek pirminių juodųjų skylių gali būti visatoje ir kaip dažnai LIGO turėtų aptikti tokių objektų susijungimus.

Nico Cappelluti, Menų ir mokslo koledžo asocijuotas profesorius.

Jų verdiktas yra atsargus, bet intriguojantis. Jie teigia, kad susijungimai su mase mažesne už Saulės turėtų būti reti, ir LIGO pastebėjęs vieną ar kelis tokius įvykius atitinka lūkesčius apie retą pirminių objektų populiaciją. Kitaip tariant, signalas nėra lengvai paaiškinamas įprastais astrofiziniais kanalais, o pirminė juodoji skylė pateikia įtikinamą interpretaciją.

Vis dėlto Cappelluti ir Magaraggia pabrėžia, kad vienas aptikimas dar neuždaro bylos. LIGO kandidatas gali būti statistinis triukšmas, instrumentinis artefaktas arba anksčiau nežinomas astrofizinis procesas. Pirminių juodųjų skylių patvirtinimui prireiks kelių nuoseklių aptikimų ir kruopščių kryžminių patikrinimų skirtinguose detektoriuose ir stebėjimų serijose.

Pasekmės tamsiajai materijai ir kosmologijai

Jeigu pirminės juodosios skylės yra realios ir pakankamai gausios, jos galėtų sudaryti didelę dalį visatos tamsiosios materijos. Ši galimybė žavi mokslininkus, nes ji sujungia gravitacinių bangų astronomiją su vienu didžiausių kosmologijos mįslių. Tačiau ryšys tarp LIGO kandidato ir tamsiosios materijos yra ilgas išvedimo grandis: aptikimas, populiacijos statistika, masių pasiskirstymas ir suderinamumas su kitais kosmologiniais tyrimais, tokiais kaip mikrolęšiavimas ir kosminis mikrobanginis fonas. Tai mokslas, grindžiamas kaupimu. Vienas įvykis nušviečia kelią. Daugelis įvykių gali jį atžymėti.

Kaip padės būsimi detektoriai

LIGO ir jo tarptautiniai partneriai LVK tinkle - kuriame yra Italijos Virgo detektorius ir Japonijos KAGRA - toliau tęstis dangaus paieškas. Numatyti atnaujinimai pagerins jautrumą, sumažins aptikimo slenkstį ir išplės stebimo erdvės tūrį. Vis dėlto žemės pagrindo instrumentai, tokie kaip LIGO, buvo projektuoti daugiausia fiksuoti aukšto dažnio bangas iš palyginti nesenų susijungimų, o ne tiesioginius signalus iš ankstyvųjų kosmologinių epochų.

Kosminės observatorijos ir kitos kartos žemės instrumentai žada išplėsti pasiekiamumą. Europos kosmoso agentūros kosminė lazerinė interferometrinė antena (LISA), numatyta paleisti 2035 m., aptiks žemesnio dažnio bangas, kurios tiria masyvesnes ir ankstyvesnio laikotarpio sistemas. Projektai, tokie kaip Cosmic Explorer, siekia būti maždaug dešimt kartų jautresni už dabartinius detektorius, galbūt identifikuodami susijungimus iš epochos, kai formavosi pirmosios žvaigždės.

Šie instrumentai ne tik padidins įvykių skaičių, bet ir leis tiksliau matuoti mases bei geriau atskirti astrofizinę ir pirminę kilmę. Turėdami turtingesnius duomenis, tyrėjai galės patikrinti masių pasiskirstymus, susijungimų dažnius ir erdvinį klasterizavimą - visa tai yra pagrindiniai diagnostikos rodikliai pirminės populiacijos nustatymui.

Ekspertų įžvalga

Dr. Elena Ruiz, stebimųjų kosmologė, nedalyvavusi Majamio tyrime, pateikė atsargią nuomonę: "Vienas subsaulinis kandidatas yra įdomus, bet tai daugiau užuomina nei įrodymas. Gravitacinių bangų astronomijos stiprybė yra statistinė galia. Jei būsimuose stebėjimuose atsiras dar keli tokie mažos masės susijungimai su nuosekliomis savybėmis, pradėsime judėti nuo spėlionių link tvirtesnių išvadų."

Ji pridūrė: "Taip pat turime suderinti gravitacinių bangų rezultatus su apribojimais iš mikrolęšiavimo apžvalgų ir kosminio mikrobanginio fono. Tik nuoseklus vaizdas per skirtingas metodikas galiausiai įtikins bendruomenę."

Išvada

LIGO signalas atgaivino diskusiją, trunkančią pusę amžiaus. Jis perkelė pirmines juodąsias skyles iš abstrakčios teorijos į empirinius bandymus. Majamio universiteto analizė pateikia kandidatą įtikinamame pirminės kilmės scenarijuje, tačiau darbų laukia daug: surinkti daugiau įvykių, susiaurinti klaidų intervalus ir atlikti kryžminius patikrinimus per kelis astrofizinius kanalus. Artimiausiais metais, gerėjant detektoriams ir augant gravitacinių bangų įvykių katalogui, arba rasime trūkstamas dalis, dėl kurių pirminės juodosios skylės taps patraukliu tamsiosios materijos kandidatu, arba jas paneigsime ir atnaujinsime savo visatos modelius atitinkamai.