7 Minutės
Naujas etapas: trijų matmenų juodosios skylės smūgis
Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) prie Santiago de Compostela universiteto vadovaujama komanda atkūrė likutinės juodosios skylės, susidariusios susiliejus dviem juodosioms skylėms, greitį ir kryptį. Šio darbo rezultatai, paskelbti Nature Astronomy, remiasi GW190412 įvykiu ir parodo, kad gravitacinių bangų astronomija gali atskleisti ne tik tai, kad įvyksta smarkūs susiliejimai, bet ir susidariusio objekto pilną trimačio judėjimo — t. y. rekolio — vektorių.
Mokslinis pagrindas: gravitacinės bangos ir juodųjų skylių „spyriai“
Gravitacinės bangos (GB) yra erdvėlaikio bangavimai, kuriuos 1916 m. prognozavo Albertas Einsteinas. Jas sukelia besikeičiantys masės išsidėstymai, o stipriausi signalai atsiranda dėl ekstremalių įvykių, tokių kaip dvejetainių juodųjų skylių susiliejimai, neutroninių žvaigždžių susidūrimai ir branduolio žlugimo supernovos. Kadangi kai kurie šaltiniai skleidžia mažai arba visai neskleidžia elektromagnetinės spinduliuotės, gravitacinių bangų detektoriai suteikia papildomą langą į Visatą.
Pirmasis tiesioginis gravitacinių bangų aptikimas, GW150914, buvo paskelbtas 2015 m. Advanced LIGO observatorijų. Tas istorinė stebėjimas patvirtino kompaktiškų objektų susiliejimų realumą ir atvėrė gravitacinių bangų astronomiją kaip naują observacinę discipliną. Nuo GW150914 LIGO–Virgo tinkle pranešta apie beveik 300 kandidatinių įvykių, leidusių atlikti populiacijos tyrimus ir naujus bendrosios reliatyvumo testus.
Vienas ryškus asimetrinių juodųjų skylių susiliejimų rezultatas yra rekolis, dažnai vadinamas gravitaciniu „spyrio“ efektu. Jei gravitacinės bangos iš susiliejimo sklinda ne vienodai visomis kryptimis — t. y. anisotropiškai — impulsų išsaugojimo dėsnio rezultatu susiliejęs likutis įgyja tam tikrą greitį. Rekolio greičiai gali svyruoti nuo kelių dešimčių iki tūkstančių kilometrų per sekundę; kai kuriais atvejais spyris gali būti pakankamai didelis, kad juodoji skylė būtų išmesta iš žvaigždžių sankaupos arba net iš galaktikos.
GW190412: nelygių masių susiliejimas su matomu spyrio efektu
Analizė buvo sutelkta į GW190412, užfiksuotą 2019 m. balandį per trečiąjį Advanced LIGO ir Virgo stebėjimų etapą (O3). GW190412 išsiskiria tuo, kad jame dalyvavo nelygių masių juodosios skylės ir aiškiai pasireiškė aukštesnių virpesių (daugiaelektronių režimų) indėliai — tarsi „turtingesnis“ gravitacinių bangų signalas. Šios savybės leidžia griežčiau apriboti bangosformos orientaciją ir struktūrą nei simetriškesniuose sistemose.
Modeliuodami, kaip bangos forma keičiasi stebėtojo atžvilgiu, komanda atkūrė likutinės juodosios skylės greičio vektorių tiek žemės atžvilgiu, tiek lyginant su dvejetainės sistemos natūraliaisiais krypčių vektoriais (pavyzdžiui, orbitinio kampinio momento krypčiai). Rezultatas rodo, kad likutis judėjo greičiau nei 50 km/s — pakankamai greitai, kaip autoriai pažymi, kad galėtų ištrūkti iš tankios sferinės žvaigždžių sankaupos — ir pateikia pilną 3D rekolio aprašymą keliomis sekundėmis po susiliejimo.
Kaip atliekamas matavimas
Gravitaciniai bangų signalai yra sudėtinga režimų (matematikos komponentų, analogiškų muzikiniams tonams) superpozicija. Kai keli režimai prisideda reikšmingai, kiekvieno režimo santykinė amplitudė ir fazė priklauso nuo stebėjimo kampo. Šis priklausomumas leidžia analitikams nuspėti, kur stebėtojas yra santykyje su šaltiniu. IGFAE vadovaujama komanda taikė bangosformų modelius, įtraukiant aukštesnius režimus, ir sujungė juos su parametrų apibrėžimo metodais, pagrįstais Bayesine inferencija. Kaip sakė pagrindinis autorius prof. Juan Calderon-Bustillo: "Juodųjų skylių susiliejimus galima suprasti kaip skirtingų signalų superpoziciją, panašiai kaip orkestro muziką... klausytojai, stovintys skirtingose padėtyse aplink orkestrą, įrašys skirtingus instrumentų derinius, todėl galės suprasti, kur jie tiksliai yra."
Strategija remiasi trimis išmatuotais ingredientais: (1) bangosformų režimų santykiniais indėliais, kurie koduoja stebėjimo kampo informaciją; (2) dvejetainės sistemos komponentų masėmis ir sukimais, kurie lemia tikėtiną rekolio greitį bendrojoje reliatyvumo teorijoje; ir (3) kruopščiu statistiniu modeliavimo būdu, sujungiančiu stebėjimų neapibrėžtumą su teoriniais prognozėmis.
Pagrindiniai atradimai ir reikšmė
Pagrindinis atradimas yra tas, kad vien tik gravitacinių bangų signalas gali suteikti pilną trimačio likutinės juodosios skylės judėjimo atkūrimą kosmologiniuose atstumuose. Dr. Koustav Chandra (Penn State), bendraautoris, apibendrino reikšmę: "Tai vienas iš nedaugelio reiškinių astrofizikoje, kai mes ne tik kažką aptinkame — mes atkuriame visą objekto 3D judėjimą, esančio milijardus šviesmečių nuo mūsų, naudodami tik erdvėlaikio banguotes. Tai įspūdingas pavyzdys, ką gali atlikti gravitacinės bangos."
Praktinės pasekmės apima:
- Astrofizinė išlaikymo ir išmetimo svarba: rekolis virš ~50 km/s gali atlaisvinti juodąją skylę iš mažos masės žvaigždžių sistemų, tokių kaip sferinės žvaigždžių sankaupos, arba iš nykščių galaktikų centrinių sričių. Tai veikia prognozes dėl susiliejimų dažnumo tankiose aplinkose ir masyvių juodųjų skylių augimo istorijos modelius.
- Daugiakanaliai paieškos: rekolio krypties matavimas padeda įvertinti bet kokio elektromagnetinio blyksnio matomumą, kai likutis pereina per tankią dujų aplinką. Kaip pažymi bendraautoris Samson Leong (CUHK), "Kadangi blykstės matomumas priklauso nuo rekolio orientacijos Žemės atžvilgiu, rekolių matavimas leis atskirti tikrą GW–EM signalų porą, kilusią iš BBH, nuo atsitiktinio sutapimo." Aktyvių galaktikų branduolio (AGN) diskuose arba kitose tankiose aplinkose išmuštas likutis gali sutrikdyti aplinkines dujas ir sukelti laikinas elektromagnetines išlydžius.
- Populiacijos ir kosmologinės pasekmės: tikslesni rekolių matavimai prisideda prie juodųjų skylių demografijos modelių, sankaupų išlaikymo frakcijų, hierarchinių susiliejimų scenarijų ir laukiamo gravitacinių bangų fono prognozių.
Rezultatas taip pat patvirtina 2018 m. to paties kolektyvo pasiūlytą metodą, kuris parodė, kad dabartiniai žemės pagrindo detektoriai gali matuoti spyrus iš signalų, turinčių reikšmingo aukštesnių režimų turinio — ankstesnės prieigos metodikos manė, kad tam reikės erdvėje veikiančių detektorių, tokių kaip LISA, jautrių žemesnio dažnio šaltiniams.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Šis matavimas pabrėžia detektorių jautrumo ir bangosformų modeliavimų svarbą. Tolesni LIGO, Virgo ir KAGRA atnaujinimai padidins aptiktų įvykių skaičių ir kokybę, gerindami galimybes užfiksuoti daugiau sistemų su matomais aukštesniais režimais. Ateities detektoriai, tokie kaip LIGO Voyager, Einstein Telescope, Cosmic Explorer ir erdvės LISA, išplės prieinamų masių ir atstumų intervalus ir tiesiogiai tirs sritis, kur rekolių greičiai gali būti dar didesni arba sukelti pastebimas elektromagnetines antrines reakcijas.
Gravitacinių bangų matavimų derinimas su elektromagnetinėmis apžvalgomis ir laiko domeno observatorijomis bus esminis siekiant patvirtinti blykščių susiejimus ir tirti aplinkas, kur vyksta susiliejimai. Koordinuotos programos tarp GB centrų ir plataus lauko optinių, infraraudonųjų, rentgeno bei radijo observatorijų susiaurins paiešką rekolo sukeltiems transientams.
Eksperto įžvalga
Dr. Maya Singh, teorinė astrofizikė iš Institute for Gravitational Physics, suteikia kontekstinę perspektyvą: "Šis darbas žymi kertinį žingsnį gravitacinių bangų astronomijoje. Išskleidžiant likučio pilną greičio vektorių iš vieno įvykio, komanda įrodo, kad galime pereiti nuo aptikimo prie kinematinio atkūrimo. Ši galimybė leis tirti, kaip juodosios skylės paskirstomos skirtingose astrofizinėse aplinkose ir išbandyti scenarijus dėl pasikartojančių susiliejimų tankiose sankaupose. Stebėjimo pusėje didesnio skaičiaus aukštos reikšmės režimų signalų aptikimas leis žemėlapiuoti rekolių greičių pasiskirstymą visuomenėje, o tai turi tiesioginių pasekmių juodųjų skylių augimui ir išsaugojimui galaktikose."
Dr. Singh priduria techninę pastabą: "Tikslūs bangosformų modeliai, apimantys aukštesnius multipolius ir precesiją, yra būtini. Bangosformų kūrimo ir parametrų apibrėžimo metodų pažanga per pastarąjį dešimtmetį padarė šį matavimą šiandien įmanomą."
Išvados
IGFAE vadovaujama GW190412 analizė suteikia pirmąjį pilną trimačio likutinės juodosios skylės rekolio greičio matavimą, įrodydama, kad gravitacinių bangų duomenys gali atskleisti tiek spyrio dydį, tiek kryptį. Su išmatuotu greičiu, viršijančiu 50 km/s, GW190412 likutis iliustruoja, kaip asimetriniai susiliejimai gali pakeisti juodųjų skylių likimą — potencialiai išmušdami jas iš sankaupų ir formuodami jų astrofizines aplinkas. Už tiesioginio rezultato ribų šis darbas demonstruoja, kaip plečiasi gravitacinių bangų astronomijos galimybės: ne tik aptikti ekstremalius įvykius, bet ir išsamiai atkurti jų dinamiką bei informuoti daugiakanales paieškas elektromagnetiniams partneriams. Didėjant detektorių jautrumui ir tobulėjant bangosformų modeliams, panašūs matavimai turėtų tapti įprasti, suteikdami naujus apribojimus juodųjų skylių susidarymo kanalams, hierarchiniams susiliejimams ir kompaktiškų objektų sąveikai su aplinka.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą