Neįprastas pagreitėjimas GW190814 įvykyje leidžia įtarti trečią juodąją skylę

Nauja LIGO-Virgo-KAGRA bendradarbiavimo gravitacinių bangų duomenų analizė atskleidė intriguojantį 2019 metų GW190814 įvykio anomaliją: pastebėtą matymo krypties pagreitėjimą, kuris gali būti pirmasis žvaigždinės masės juodųjų skylių trinarės sistemos ženklas. Jei ši hipotezė bus patvirtinta, tai būtų pirmasis trijų kompaktiškų objektų kompleksinės gravitacinės sąveikos aptikimas, galintis iš esmės pakeisti mūsų supratimą apie dvinarės sistemos formavimąsi ir hierarchinius susiliejimus.

Duomenų analizė Mokslininkų komanda, vadovaujama Shu-Cheng Yang, modeliuodama dvinarės juodosios skylės sistemą, kuri skrieja aplink dar masyvesnį trečiąjį objektą, parodė, kad toks gravitacinės bangos signalas turėtų įgauti papildomą Doplerio tipo pagreitį. Lygindami su GW190814 banga, jie aptiko apie 0,0015 šviesos greičio (0,15%) pagreitį su 90% tikimybe, kas rodo trečio, nematomo masyvaus objekto įtaką.

Kinijos mokslų akademijos astronomas Wen-Biao Han pabrėžė šios išvados svarbą: tai pirmas tarptautinio tyrimo atvejis, kur aptikta požymių apie trečiąjį kompaktišką objektą juodųjų skylių susiliejime, leidžiantis svarstyti neizoliuotus juodųjų skylių formavimosi būdus.

Kodėl GW190814 išsiskyrė Skirtingai nei daugelis kitų susiliejimų, kuriuose būna masyvesnių komponentų nei prognozuoja žvaigždžių evoliucijos modeliai, GW190814 įtrauktos antrinės masė tėra apie 2,6 Saulės masės – ribojasi su neutroninės žvaigždės ir juodosios skylės ribomis – o pirminio objekto masė yra apie 23 Saulės masių. Toks stiprus masių skirtumas neatitinka standartinių dvinarės evoliucijos modelių ir paskatino ieškoti alternatyvių – daugiaobjekčių – susidarymo scenarijų.

Technologijos: detektoriai, duomenų analizė ir modeliavimas Pagrindinės naudotos technologijos:

• LIGO, Virgo ir KAGRA detektoriai: kilometrų ilgio interferometrai su itin stabilia lazerine interferometrija ir apsauga nuo vibracijų, leidžiantys aptikti gravitacinių bangų poveikį.
• Duomenų apdorojimo sistemos: pažangūs filtravimo algoritmai, Bayeso inferencijos varikliai ir triukšmo sumažinimo moduliai, padedantys išskirti signalus iš duomenų.
• Didelio našumo skaičiavimai (HPC) ir dirbtinis intelektas: reikalingi plačių parametrų paieškai, signalo modeliavimui ir efektyviam „silpno“ signalo aptikimui.

Privalumai ir palyginimai:

• Skirtingi detektoriai (LIGO, Virgo, KAGRA) pagerina dangaus lokalizaciją ir parametrų įvertinimą.
• Klasikinis filtravimas užtikrina detekavimo patikimumą, o DI leidžia greičiau identifikuoti kandidatinius signalus ir atpažinti triukšmą.
• Globalus tinklas suteikia geresnį duomenų tikrinimą ir subtilių efektų, tokių kaip matymo krypties pagreitėjimas, aptikimą.

Mokslinės ir praktinės pritaikymo sritys Šios analizės ir technologijų pritaikymas:

• Astrofizika: juodųjų skylių formavimosi kanalų ir hierarchinių susiliejimų tyrimas.
• Fundamentali fizika: tikslios bendrosios reliatyvumo teorijos ir alternatyvių gravitacijos modelių patikros.
• Duomenų mokslas: įrankiai silpnų signalų aptikimui, anomalių įvykių paieškai bei multimessenger sistemų kūrimui.

Rinkos svarba ir inovacijų perspektyvos:

• HPC ir debesijos technologijos palaiko pažangą didelio našumo kompiuterijoje ir duomenų saugyklose.
• Signalo apdorojimo algoritmai pritaikomi precizinėje metrologijoje, lidare ar fotonikoje.
• DI metodai persikelia ir į pramonines sritis, ypač anomalių įvykių aptikimą ir realaus laiko stebėseną.

Hierarchiniai susiliejimai ir trinarės sistemos: kuri teorija labiau tikėtina? Yra dvi pagrindinės hipotezės, paaiškinančios neįprastą masių santykį ir pagreitėjimą GW190814 įvykyje:

• Hierarchiniai susiliejimai: pasikartojantys susijungimai tankioje aplinkoje didina juodųjų skylių masę.
• Trinarė sistema ir Kozai-Lidov efektas: trečias masyvus objektas trikdo dvinarės sistemą, skatina glaudesnį orbitavimą ir vėlesnį susiliejimą, palikdamas pagreitėjimo požymius. Dabartinis tyrimas labiau palaiko trinarės sistemos hipotezę, tačiau ateities aptikimai leis geriau atskirti abiejų kelių indėlį.

Kas toliau: nauji stebėjimų etapai ir modernūs įrankiai Artimiausi LIGO-Virgo-KAGRA stebėjimų ciklai padidins jautrumą ir leis aptikti daugiau susiliejimų, galinčių parodyti trinarės sistemos požymius ar hierarchinį augimą. Tobulėjant bangos formos modeliavimo, Bayeso inferencijos ir DI klasifikavimo metodams, bus lengviau ieškoti subtilių dynaminių efektų.

Technologijų ir tyrimų bendruomenei šis atradimas pabrėžia nuolatinės investicijos į precizinę instrumentuotę, kompiuterinius išteklius ir patikimas duomenų analizės sistemas svarbą. Gebėjimas aptikti ir analizuoti silpnus pagreitėjusios gravitacinės bangos signalus priklauso nuo detektorių modernizavimo, tarptautinio bendradarbiavimo ir pažangios analitikos, kurios tiesiogiai naudingos telekomunikacijų ir sensorių kūrimo srityse.

Išvados Galimas trinarės sistemos juodoji skylė GW190814 duomenyse atskleidžia spartų gravitacinių bangų technologijų ir duomenų analizės progresą. Nepriklausomai nuo to, ar ateityje bus patvirtintas trečias kompaktiškas objektas, šis tyrimas iliustruoja, kaip detektorių tinklai, HPC ir modernus signalų apdorojimas leidžia suprasti sudėtingas astrofizikines sistemas. Augant detektorių jautrumui ir tobulinant analitinius įrankius, galime tikėtis vis daugiau atradimų, jungiančių astrofiziką, instrumentavimą ir duomenimis pagrįstas inovacijas.