Вловлено першу гравітаційну хвилю від злиття бінарної чорної діри з нееквівалентними масами

Дослідники гравітаційних хвиль за допомогою детекторів LIGO/Virgo виявили дивовижний сигнал, не схожий на жоден з тих, що вони бачили раніше: GW190412 – перше спостереження злиття бінарної чорної діри, де дві чорні діри мають відмінну масу, приблизно у 8 та 30 разів більшу, ніж маса нашого Сонця.

Це не тільки дозволило більш точно виміряти астрофізичні властивості системи, але й надало можливість вченим LIGO/Virgo перевірити поки що неперевірене передбачення теорії загальної відносності Ейнштейна, зазначається в прес-релізі Інституту Альберта Ейнштейна (AEI) у Гановері.

«Вперше ми «почули» в GW190412 безпомилковий гравітаційно-хвильовий гул вищої гармоніки, схожий на обертони музичних інструментів», - пояснює Френк Оме, очільник Незалежної дослідницької групи «Спостереження за злиття бінарів та числова відносність» в Інституті гравітаційної фізики Макса Планка (Інститут Альберта Ейнштейна) у Ганновері. «В системах з нееквівалентними масами, такими як GW190412 – яка є першим нашим спостереженням такого типу – ці обертони в гравітаційно-хвильовому сигналі набагато голосніші, ніж у наших звичайних спостереженнях. Тому ми їх раніше не могли почути, але в GW190412 ми нарешті чуємо». Це спостереження ще раз підтверджує теорію загальної відносності Ейнштейна, яка передбачає існування цих вищих гармонік, тобто гравітаційних хвиль з частотою, у два-три рази вищою від основної, що спостерігалася досі.

« Чорні діри в серці GW190412 мають у 8 та 30 разів більшу масу від нашого Сонця. Це перша бінарна система чорних дір, яку ми спостерігали, для якої різниця між масами двох чорних дір настільки велика!», - каже Роберто Котеста, аспірант відділу «Астрофізична та космологічна відносність» в AEI в Потсдамі. «Ця велика різниця у масах означає, що ми можемо більш точно виміряти кілька властивостей системи: її відстань до нас, кут, під яким ми дивимось на неї, і як швидко більш важча чорна діра обертається навколо своєї осі».

Сигнал, як жоден інший

GW190412 спостерігався як детекторами LIGO, так і детекторами Virgo 12 квітня 2019 року, під час третього запуску спостережень «O3». Аналіз показав, що злиття відбулося на відстані від 1,9 до 2,9 мільярдів світлових років від Землі. Нова система з нееквівалентними масами – унікальне відкриття, оскільки всі бінари, що спостерігалися раніше детекторами LIGO та Virgo, складалися з двох майже однакових мас.

Нееквівалентні маси відзначаються на спостережуваному гравітаційно-хвильовому сигналі, що, в свою чергу, дозволяє вченим більш точно виміряти певні астрофізичні властивості системи. Наявність вищих гармонік дає можливість розірвати неоднозначність між відстанню до системи та кутом, під який ми дивимось на її орбітальну площину; тому ці властивості можна виміряти з більшою точністю, ніж в системах з рівною масою без вищих гармонік.

«Під час «O1» та «O2» ми спостерігали верхівку айсберга популяції бінарів, що складаються з чорних дір зоряної маси», - каже Алессандра Буонанно, директор відділу «Астрофізична та космологічна відносність» в AEI в Потсдамі та професор Коледжу Парка в Університеті Меріленда. «Завдяки покращеній чутливості, GW190412 дав можливість почати виявляти нам більш різноманітну, занурену популяцію, яка характеризується асиметрією мас до 4 і чорними дірами, що обертаються приблизно на 40% від можливого максимального значення, дозволеного загальною відносністю», - додає вона.

Дослідники AEI сприяли виявленню та аналізу GW190412. Вони надали точні моделі гравітаційних хвиль від  чорних дір, що зливаються, які вперше включали як прецесію спінів чорних дір, так і багатополюсні моменти поза домінуючою квадруполою. Ці особливості, відбиті у формі хвилі, мали вирішальне значення для отримання унікальної інформації про властивості джерела та проведення випробувань загальної відносності. Високопродуктивні комп’ютерні кластери "Мінерва" та "Іпатія" в AEI в Потсдамі та "Холодек" в AEI в Ганновері внесли значний вклад в аналіз сигналу.

Випробування теорії Ейнштейна

Вчені LIGO/Virgo також використовували GW190412 для пошуку відхилень у сигналах від того, що передбачає загальна теорія відносності Ейнштейна. Незважаючи на те, що сигнал має властивості, відмінні від усіх інших, виявлених до цих пір, дослідники не могли знайти ніякого значного відступу від загальнорелятивістських передбачень.

Вдосконалена міжнародна мережа детекторів, що використовують стиснене світло

Це відкриття є другим від третього запуску спостережень (O3) міжнародної мережі гравітаційно-хвильових детекторів. Вчені, які працюють з трьома великими детекторами, внесли кілька технологічних удосконалень в прилади.

«Під час роботи O3, для підвищення чутливості LIGO та Virgo, було використано стиснене світло. Ця техніка ретельного настроювання квантово-механічних властивостей лазерного випромінювання була впроваджена на німецько-британському детекторі GEO600», - пояснює Карстен Данцман, директор AEI в Ганновері та директор Інституту гравітаційної фізики університету Лейбніца в Ганновері. За його словами, це вже вдвічі підвищило чутливість детектора GEO600, і подальші досягнення Інституту в цій технології матимуть користь усім майбутнім гравітаційно-хвильовим детекторам.

Два завершено, 54 ще в списку

Мережа детекторів видала сповіщення про 56 можливих гравітаційно-хвильових подій (кандидатів) в O3 (з 1 квітня 2019 року по 27 березня 2020 року з перервою на оновлення та введення в експлуатацію в жовтні 2019 року). З цих 56-ти, один інший підтверджений сигнал, GW190425, вже опублікований. Вчені LIGO та Virgo вивчають усі 54 кандидати, що лишилися, та опублікують ті з них, для яких детальний подальший аналіз підтвердить їх астрофізичне походження.

Спостереження GW190412 означає, що подібні системи, ймовірно, не такі рідкісні, як передбачено деякими моделями. Тому в майбутньому з додатковими гравітаційно-хвильовими спостереженнями та каталогами подій, що наповнюються, слід очікувати більше таких сигналів. Кожен з них зміг би допомогти астрономам краще зрозуміти, як утворюються чорні діри та бінарні системи з них, а також пролити нове світло на фундаментальну фізику простору-часу.

Картинка зверху статті та відео: © N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes project

Читайте ще цікаві новини про космос.