Уловлена первая гравитационная волна от слияния бинарной черной дыры с неэквивалентными массами

Исследователи гравитационных волн с помощью детекторов LIGO/Virgo обнаружили удивительный сигнал, не похожий ни на один из тех, что они видели раньше: GW190412 - первое наблюдение слияния бинарной черной дыры, где две черные дыры имеют отличную массу, которые примерно в 8 и 30 раз больше, чем масса нашего Солнца.

Это не только позволило более точно измерить астрофизические свойства системы, но и позволило ученым LIGO/Virgo проверить пока непроверенное предсказание теории общей относительности Эйнштейна, отмечается в пресс-релизе Института Альберта Эйнштейна (AEI) в Ганновере.

«Впервые мы «услышали» в GW190412 безошибочный гравитационно-волновой гул высшей гармоники, похожий на обертоны музыкальных инструментов», - объясняет Фрэнк Оме, глава Независимой исследовательской группы «Наблюдение за слиянием бинаров и числовая относительность» в Институте гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) в Ганновере. «В системах с неэквивалентными массами, такими как GW190412 – которая является первым нашим наблюдением такого типа – эти обертоны в гравитационно-волновом сигнале гораздо громче, чем в наших обычных наблюдениях. Поэтому мы их раньше не могли услышать, но в GW190412 мы наконец слышим». Это наблюдение еще раз подтверждает теорию общей относительности Эйнштейна, которая предполагает существование этих высших гармоник, то есть гравитационных волн с частотой, в два-три раза выше основной, чем наблюдавшейся до сих пор.

« Черные дыры в сердце GW190412 имеют в 8 и 30 раз большую массу от нашего Солнца. Это первая бинарная система черных дыр, которую мы наблюдали, для которой разница между массами двух черных дыр настолько велика!», - говорит Роберто Котеста, аспирант отдела «Астрофизическая и космологическая относительность» в AEI в Потсдаме. «Эта большая разница в массах означает, что мы можем более точно измерить несколько свойств системы: ее расстояние к нам, угол, под которым мы смотрим на нее, и как быстро более тяжелая черная дыра вращается вокруг своей оси».

Сигнал, как никакой другой

GW190412 наблюдался как детекторами LIGO, так и детекторами Virgo 12 апреля 2019 года, во время третьего запуска наблюдений «O3». Анализ показал, что слияние произошло на расстоянии от 1,9 до 2,9 миллиардов световых лет от Земли. Новая система с неэквивалентными массами - уникальное открытие, поскольку все бинары, наблюдавшиеся ранее детекторами LIGO и Virgo, состояли из двух почти одинаковых масс.

Неэквивалентные массы отмечаются на наблюдаемом гравитационно-волновом сигнале, что, в свою очередь, позволяет ученым более точно измерить определенные астрофизические свойства системы. Наличие высших гармоник дает возможность разорвать неоднозначность между расстоянием к системе и углом, под который мы смотрим на ее орбитальную плоскость; поэтому эти свойства можно измерить с большей точностью, чем в системах с равной массой без высших гармоник.

«Во время «O1» и «O2» мы наблюдали верхушку айсберга популяции бинаров, состоящих из черных дыр звездной массы», - говорит Алессандра Буонанно, директор отдела «Астрофизическая и космологическая относительность» в AEI в Потсдаме и профессор Колледжа Парка в Университете Мэриленда . «Благодаря улучшенной чувствительности, GW190412 дал возможность начать выявлять нам более разнообразную, погруженную популяцию, которая характеризуется асимметрией масс до 4 и черными дырами, вращающимися примерно на 40% от возможного максимального значения, разрешенного общей относительностью», - добавляет она.

Исследователи AEI способствовали выявлению и анализу GW190412. Они предоставили точные модели гравитационных волн от сливающихся черных дыр, впервые включали как прецессию спинов черных дыр, так и многополюсные моменты вне доминирующего квадруполя. Эти особенности, отраженные в форме волны, имели решающее значение для получения уникальной информации о свойствах источника и проведения испытаний общей относительности. Высокопроизводительные компьютерные кластеры "Минерва" и "Ипатия" в AEI в Потсдаме и "Холодек" в AEI в Ганновере внесли значительный вклад в анализ сигнала.

Испытания теории Эйнштейна

Ученые LIGO/Virgo также использовали GW190412 для поиска отклонений в сигналах от того, что предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Несмотря на то, что сигнал имеет свойства, отличные от всех других, выявленных до сих пор, исследователи не могли найти никакого значительного отступления от общерелятивистских предсказаний.

Усовершенствованная международная сеть детекторов, использующих сжатый свет

Это открытие является вторым от третьего запуска наблюдений (O3) международной сети гравитационно-волновых детекторов. Ученые, работающие с тремя большими детекторами, внесли несколько технологических усовершенствований в приборы.

«Во время работы O3, для повышения чувствительности LIGO и Virgo, был использован сжатый свет. Эта техника тщательной настройки квантово-механических свойств лазерного излучения была внедрена на немецко-британском детекторе GEO600», - объясняет Карстен Данцман, директор AEI в Ганновере и директор Института гравитационной физики университета Лейбница в Ганновере. По его словам, это уже вдвое повысило чувствительность детектора GEO600, и дальнейшие достижения Института в этой технологии дадут пользу всем будущим гравитационно-волновым детекторам.

Два завершено, 54 еще в списке

Сеть детекторов выдала оповещения о 56 возможных гравитационно-волновых событиях (кандидатах) в O3 (с 1 апреля 2019 года по 27 марта 2020 года с перерывом на обновление и ввод в эксплуатацию в октябре 2019). Из этих 56-ти, один другой подтвержден сигнал, GW190425, уже опубликован. Ученые LIGO и Virgo изучают все оставшиеся 54 кандидата и опубликуют те из них, для которых подробный дальнейший анализ подтвердит их астрофизическое происхождение.

Наблюдение GW190412 означает, что подобные системы, вероятно, не так редки, как предусмотрено некоторыми моделями. Поэтому в будущем с дополнительными гравитационно-волновыми наблюдениями и наполняющимися каталогами событий следует ожидать больше таких сигналов. Каждый из них смог бы помочь астрономам лучше понять, как образуются черные дыры и бинарные системы из них, а также пролить новый свет на фундаментальную физику пространства-времени.

Картинка сверху статьи и видео: © N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes project

Читайте еще интересные новости о космосе.