7 Minuten
Naujas etapas: juodosios skylės trimačio smūgio nustatymas
Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) iš Santiago de Compostela universiteto vadovaujama komanda rekonstruojo likutinės juodosios skylės greitį ir kryptį, susidariusios dviejų juodųjų skylių susiliejimo metu. Rezultatas, paskelbtas žurnale Nature Astronomy, remiasi GW190412 įvykiu ir parodo, kad gravitacinės bangos astronomija gali atskleisti ne tik tai, kad vyksta smarkūs susiliejimai, bet ir visą trimatę susidariusio objekto judėjimą — arba atmušimą (recoil).
Mokslinis fonas: gravitacinės bangos ir juodųjų skylių smūgiai
Gravitacinės bangos (GB) yra erdvėlaikio bangavimai, kuriuos 1916 m. prognozavo Albertas Einsteinas. Jas sukelia pagreitinami masyvūs kūnai; stipriausi signalai kyla iš ekstremalių reiškinių, tokių kaip dviejų juodųjų skylių susiliejimai, neutroninių žvaigždžių susidūrimai ar branduolio kolapso supernovos. Kadangi kai kurie šie šaltiniai išskiria mažai arba visai neskleidžia elektromagnetinės spinduliuotės, gravitacinių bangų detektoriai suteikia papildomą langą į Visatą.
Pirmasis tiesioginis gravitacinių bangų aptikimas, GW150914, buvo paskelbtas 2015 m. pažangiuosiuose LIGO observatorijose. Šis istorinės reikšmės stebėjimas patvirtino kompaktinių objektų susiliejimų realumą ir atvėrė gravitacinių bangų astronomiją kaip naują stebėjimo discipliną. Nuo GW150914 beveik 300 kandidatų įvykių pranešta LIGO–Virgo tinkle, leidžiant atlikti populiacijų tyrimus ir netradicinius bendrosios reliatyvumo tikrinimus.
Viena iš ryškių netolygių juodųjų skylių koalescencijų pasekmių yra atmušimas, dažnai vadinamas gravitaciniu "smūgiu". Jei gravitacinių bangų emisija iš susiliejimo yra anizotropinė — t. y. tam tikromis kryptimis stipresnė negu kitomis — impulso išsaugojimo dėsnis suteikia sujungtam liekiniui greitį. Atmušimo greičiai gali svyruoti nuo dešimčių iki tūkstančių kilometrų per sekundę; kai kuriais atvejais smūgis gali būti pakankamai stiprus, kad išmestų juodąją skylę iš jos šeimininko žvaigždžių sankaupos arba net iš galaktikos.
GW190412: nelygių masių susiliejimas, sukėlęs matomą smūgį
Analizė sutelkta į GW190412, aptiktą 2019 m. balandį per pažangiųjų LIGO ir Virgo trečią stebėjimo sesiją (O3). GW190412 išsiskiria tuo, kad dalyvavo nelygių masių juodosios skylės ir aiškiai pasireiškė aukštesniųjų kelių indėliai — tarsi "turtingesnis" gravitacinių bangų signalas. Tokios savybės leidžia griežčiau riboti bangos formos orientaciją ir struktūrą, palyginti su simetriškesnėmis sistemomis.
Modeliuodami, kaip bangos forma keičiasi priklausomai nuo stebėtojo padėties, grupė rekonstruojo liekinio objekto greičio vektorių, palyginti su Žeme ir su binarinės sistemos vidinėmis kryptimis (pavyzdžiui, orbitinio kampinio momento ašimi). Rezultatas rodo, kad liekinis objektas judėjo greičiau nei 50 km/s — pakankamai greitai, kaip autoriai pažymi, kad galėtų pabėgti iš tankios globulinės sankaupos — ir pateikia pilną 3D aprašymą apie smūgį keletą sekundžių po susiliejimo.
Kaip veikia matavimas
Gravitacinių bangų signalai yra sudėtinės režimų superpozicijos (matematinės bangos sudedamosios dalys, analogiškos muzikiniams garsams). Kai skirtingi režimai prisideda reikšmingai, kiekvieno režimo santykinis amplitudės ir fazės pasikeitimas priklauso nuo stebėtojo kampo. Šis priklausomumas leidžia analitikams nuspėti, kur stebėtojas yra santykyje su šaltiniu. IGFAE vadovaujama komanda pritaikė bangų formos modelius, įtraukiant aukštesniųjų režimų indėlį, ir sujungė juos su parametrų įverčių metodais iš Bayesinės inferencijos. Kaip pasakė pagrindinis autorius prof. Juan Calderon-Bustillo: "Juodųjų skylių susiliejimus galima suprasti kaip skirtingų signalų superpoziciją, panašiai kaip orkestro muzika... klausytojai, esantys skirtingose vietose aplink orkestrą, įrašys skirtingus instrumentų derinius, o tai leidžia nustatyti, kur jie tiksliai yra aplink jį."
Strategija remiasi trimis išmatuotais ingredientais: (1) bangos formos režimų santykinis indėlis, koduojantis stebėjimo kampo informaciją; (2) išvestinės binaro komponentų masės ir sukimai, kurie lemia numatomą atmušimo greitį pagal bendrąją reliatyvumą; ir (3) kruopštus statistinis modeliavimas, sujungiantis stebėjimo netikrumą su teorinėmis prognozėmis.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės
Pagrindinis atradimas yra tas, kad vien tik gravitacinių bangų signalas gali suteikti pilną trimatę likutinės juodosios skylės judėjimo rekonstrukciją kosmologiniais atstumais. Dr. Koustav Chandra (Penn State), bendraautorius, apibendrino reikšmę: "Tai yra vienas iš nedaugelio reiškinių astrofizikoje, kai mes ne tik ką nors aptinkame — mes rekonstruojame visą 3D judėjimą objekto, esančio milijardų šviesmečių atstumu, naudodami tik erdvėlaikio bangavimus. Tai įspūdinga demonstracija, ką gali atlikti gravitacinės bangos."
Praktinės pasekmės apima:
- Juodųjų skylių išlaikymas arba išstūmimas: atmušimas, viršijantis maždaug 50 km/s, gali atplėšti juodąją skylę nuo mažos masės žvaigždžių sistemų, pavyzdžiui globulinių sankaupų, arba iš nykštukinių galaktikų centrinių sričių. Tai keičia prognozes apie susiliejimų dažnį tankiose aplinkose ir masyvių juodųjų skylių augimo istoriją.
- Daugiažiniškės (multi-messenger) paieškos: atmušimo krypties matavimas padeda įvertinti elektromagnetinio blyksnio, susidariusio, kai liekinis objektas kerta tankias dujas, matomumą. Kaip pažymi bendraautorius Samson Leong (CUHK): "Kadangi blyksnio matomumas priklauso nuo atmušimo orientacijos santykyje su Žeme, atmušimų matavimas leis atskirti tikrą GW–EM signalų porą, kilusią iš dviejų juodųjų skylių susiliejimo, nuo atsitiktinės sutapimo." Aktualių galaktikos branduolių (AGN) diskuose ar kitose tankiose aplinkose išmesta liekana gali sutrikdyti aplinkines dujas ir sukelti tranzitorinę elektromagnetinę spinduliuotę.
- Populiacijos ir kosmologinės pasekmės: tikslesni atmušimo matavimai papildo juodųjų skylių demografijos modelius, retenacijos dalis sankaupose, hierarchinių susiliejimų scenarijus ir numatomą gravitacinių bangų foną.
Šis rezultatas taip pat patvirtina 2018 m. to paties kolektyvo pasiūlytą metodą, kuris rodė, kad dabartiniai žemės pagrindo detektoriai gali matuoti atmušimus iš signalų su reikšmingu aukštesniųjų režimų turiniu — ankstesni požiūriai manė, kad tam reikalingi kosminiai detektoriai, tokie kaip LISA, jautrūs žemesnio dažnio šaltiniams.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Šis matavimas pabrėžia detektorių jautrumo ir bangų formos modelių svarbą. Tolimesni 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 kosminė LISA, išplės pasiekiamų masių ir atstumų sferas bei tiesiogiai ištirs režimus, kur atmušimai gali būti dar didesni arba sukelti stebimas elektromagnetines atitiktis.
Gravitacinių bangų matavimų derinimas su elektromagnetinėmis apžvalgomis ir laiko srities observatorijomis bus esminis norint patvirtinti blyksnių ryšius ir tirti aplinkas, kur vyksta susiliejimai. Koordinuoti programos tarp GB įrenginių ir plačiajuosčių optinių, infraraudonųjų, rentgeno bei radijo observatorijų sugrynins paiešką dėl atmušimo sukeliamų tranzientų.
Ekspertų įžvalga
Dr. Maya Singh, teorinė astrofizikė iš Institute for Gravitational Physics, pateikia kontekstinę perspektyvą: "Šis darbas žymi kertinį žingsnį gravitacinių bangų astronomijoje. Ištraukdami liekinio objekto pilną greičio vektorių iš vieno įvykio, komanda parodo, kad galime pereiti nuo aptikimo prie kinematinės rekonstrukcijos. Ši galimybė leis mums tirti, kaip juodosios skylės paskirstomos skirtingose astrofizinėse aplinkose ir tikrinti pakartotinių susiliejimų scenarijus tankiuose spiečiuose. Stebėjimų pusėje daugiau aukštesnių režimų signalų aptikimas leis nustatyti atmušimų greičių pasiskirstymą populiacijoje, kas turi tiesioginių pasekmių juodųjų skylių augimui ir retenacijai galaktikose."
Dr. Singh priduria techninę pastabą: "Tikslios bangų formos, įtraukiant aukštesniųjų daugialypių režimų ir precesiją, modeliai yra būtini. Per pastarąjį dešimtmetį pasiekimai bangų formų kūrime ir parametrų įvertinimo metoduose padarė šį matavimą šiandien įmanomą."
Išvados
IGFAE vadovaujama GW190412 analizė pateikia pirmą pilną trimatį juodosios skylės atmušimo greičio matavimą, įrodydama, kad gravitacinių bangų duomenys gali atskleisti tiek liekinio objekto smūgio dydį, tiek kryptį. Su išmatuotu greičiu, viršijančiu 50 km/s, GW190412 liekana pavyzdžiu įrodo, kaip asimetriniai susiliejimai gali pakeisti juodųjų skylių likimą — potencialiai išstumdami jas iš spiečių ir formuodami jų astrofizines aplinkas. Už šio rezultato ribų šis darbas atspindi gravitacinių bangų astronomijos augančias galimybes: ne tik aptikti ekstremalius įvykius, bet ir detaliai rekonstruoti jų dinamiką bei palaikyti daugiažiniškesnius paieškas elektromagnetinių atitikmenų. Kai detektorių jautrumas ir bangų formų modeliai toliau tobulės, panašūs matavimai turėtų tapti įprasti, siūlydami naujus apribojimus dėl juodųjų skylių susidarymo kelių, hierarchinių susiliejimų ir sąveikos tarp kompaktinių objektų ir jų aplinkos.
Quelle: scitechdaily
Kommentar hinterlassen