|
Обнаружено 128 гравитационно-волновых объектов
|
|
|
|
Когда самые плотные объекты во Вселенной сталкиваются и сливаются, это приводит к появлению ряби в виде гравитационных волн, которые отражаются в пространстве и времени на протяжении сотен миллионов и даже миллиардов лет. К тому времени, когда они проходят через Землю, такая космическая рябь едва заметна.
|
|
|
|
И все же ученые могут их обнаруживать благодаря глобальной сети гравитационно-волновых обсерваторий: лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории Национального научного фонда США (NSF LIGO), интерферометру Virgo в Италии и детектору гравитационно-волновых волн Kamioka (KAGRA) в Японии. Вместе обсерватории "прислушиваются" к слабым колебаниям гравитационного поля, которые могли быть вызваны далекими астрофизическими катастрофами.
|
|
|
|
В настоящее время коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) публикует свою последнюю подборку результатов гравитационно-волновых наблюдений, представленную в предстоящем специальном выпуске Astrophysical Journal Letters. Судя по полученным данным, Вселенная сотрясается от калейдоскопа космических столкновений.
|
|
|
|
Каталог гравитационно-волновых переходных процессов LVK-4.0 (GWTC-4) содержит данные об обнаружении гравитационных волн в ходе части четвертого и самого последнего цикла наблюдений обсерватории, который проводился в период с мая 2023 по январь 2024 года. За этот девятимесячный период обсерватории обнаружили 128 новых гравитационно-волновых "кандидатов", что означает, что сигналы, скорее всего, исходят от экстремально удаленных астрофизических источников. (В ходе четвертого запуска LVK обнаружила около 300 слияний, но еще не все из них появились в каталоге LVK.)
|
|
|
|
|
|
|
Этот новейший набор данных более чем в два раза увеличивает размер гравитационно-волнового каталога, который ранее содержал 90 кандидатов, собранных на основе всех трех предыдущих циклов наблюдений.
|
|
|
|
"Прекрасные научные результаты, которые мы можем получить с помощью этого каталога, стали возможны благодаря значительному повышению чувствительности детекторов гравитационных волн, а также более мощным методам анализа", - говорит член LVK Нергис Мавалвала, декан научной школы Массачусетского технологического института и профессор астрофизики Кертиса и Кэтлин Марбл.
|
|
|
|
"За последнее десятилетие гравитационно-волновая астрономия продвинулась от первого обнаружения до наблюдения сотен слияний черных дыр", - говорит Стивен Фэрхерст, профессор Кардиффского университета и представитель LIGO Scientific Collaboration. "Эти наблюдения позволяют нам лучше понять, как образуются черные дыры в результате коллапса массивных звезд, исследовать космологическую эволюцию Вселенной и обеспечить все более строгие подтверждения общей теории относительности".
|
|
|
|
Черные дыры образуются, когда вся материя умирающей звезды сжимается в единую точку. Таким образом, черные дыры являются одними из самых плотных объектов во Вселенной. Черные дыры часто образуются парами, связанными друг с другом гравитационным притяжением. Двигаясь по спирали навстречу друг другу, они излучают огромное количество энергии в виде гравитационных волн, прежде чем слиться в более массивную черную дыру.
|
|
|
|
Двойная черная дыра была источником самого первого обнаружения гравитационных волн, сделанного обсерваториями NSF LIGO в 2015 году, и сталкивающиеся черные дыры являются источником многих гравитационных волн, обнаруженных с тех пор. Такие двойные системы типа "хлеб с маслом" обычно состоят из двух черных дыр одинакового размера (обычно в несколько десятков раз массивнее Солнца), которые сливаются в одну большую черную дыру.
|
|
|
|
Гравитационные волны также могут возникать при столкновении черной дыры с нейтронной звездой, которая представляет собой чрезвычайно плотное остаточное ядро массивной звезды. В то время как столкновение двух черных дыр порождает только гравитационные волны, столкновение с участием нейтронной звезды также может генерировать свет, который дает ученым больше информации о событии, которую они могут исследовать. В ходе первых трех циклов наблюдений обсерватории LVK обнаружили сигналы от нескольких столкновений между черной дырой и нейтронной звездой, а также двух столкновений между двумя нейтронными звездами.
|
|
|
|
Новейшие данные, опубликованные сегодня, показывают большее разнообразие двойных систем, которые генерируют гравитационные волны. В дополнение к двойным черным дырам, обновленный каталог включает в себя самую тяжелую двойную черную дыру; двойную систему с черными дырами асимметричной, однобокой массы; и двойную систему, в которой обе черные дыры имеют исключительно высокие спины. В каталоге также представлены две двойные черные дыры и нейтронные звезды.
|
|
|
|
"Идея этого каталога такова: мы расширяемся в новые области того, что мы называем "пространством параметров", и обнаруживаем совершенно новое разнообразие черных дыр", - говорит соавтор Дэниел Уильямс, научный сотрудник Университета Глазго и член LVK. "Мы действительно расширяем границы возможного и видим объекты, которые становятся более массивными, вращаются быстрее и являются более интересными и необычными с астрофизической точки зрения".
|
|
|
|
Обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA регистрируют гравитационные волны с помощью L-образных приборов километрового масштаба, называемых интерферометрами. Ученые направляют лазерный луч вдоль каждого туннеля и точно измеряют время, необходимое каждому лучу, чтобы вернуться к своему источнику. Любая незначительная разница в их времени может означать, что гравитационная волна прошла сквозь них и слегка исказила излучение лазера.
|
|
|
|
В первом сегменте четвертого цикла наблюдений LVK были обнаружены гравитационные волны с использованием только идентичных интерферометров LIGO - один из них расположен в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другой — в Ливингстоне, штат Луизиана. Недавние усовершенствования детекторов LIGO позволили им искать сигналы от двойных нейтронных звезд, удаленных на расстояние до 360 мегапарсек, или около 1 миллиарда световых лет, а также сигналы от двойных систем, включая черные дыры, расположенные в десятки раз дальше.
|
|
|
|
"Вы никогда не сможете предсказать, когда гравитационная волна попадет в ваш детектор", - говорит соавтор и член LVK Аманда Бэйлор, аспирантка Висконсинского университета в Милуоки, которая участвовала в процессе поиска сигнала. "У нас могло бы быть пять обнаружений за один день или одно обнаружение каждые 20 дней. Вселенная настолько хаотична".
|
|
|
|
Среди наиболее необычных сигналов, обнаруженных LIGO на первом этапе наблюдения O4, был GW231123_135430, который является самой тяжелой двойной черной дырой, обнаруженной на сегодняшний день. По оценкам ученых, сигнал возник в результате столкновения двух черных дыр, каждая из которых примерно в 130 раз массивнее Солнца. (Большинство обнаруженных сливающихся черных дыр имеют массу около 30 масс Солнца). Гораздо более тяжелые черные дыры GW231123_135430 предполагают, что каждая из них может быть результатом предшествующего столкновения более легких черных дыр-"прародительниц".
|
|
|
|
Еще одним выдающимся примером является GW231028_153006, которая представляет собой двойную черную дыру с наибольшим вращением на вдохе, что означает, что обе черные дыры вращаются очень быстро, примерно на 40% быстрее скорости света. Опять же, ученые подозревают, что эти черные дыры также были продуктами предыдущих слияний, которые привели к их образованию, поскольку они были созданы из двух меньших, вдохновляющих черных дыр.
|
|
|
|
Запуск O4 также обнаружил GW231118_005626 — необычно однобокую пару, в которой одна черная дыра в два раза массивнее другой.
|
|
|
|
"Одной из поразительных особенностей нашей коллекции черных дыр является их широкий спектр свойств", - говорит соавтор, член LVK Джек Хайнцель, аспирант Массачусетского технологического института, который участвовал в анализе каталога. "Некоторые из них более чем в 100 раз превышают массу нашего Солнца, другие всего в несколько раз меньше массы Солнца. Некоторые черные дыры вращаются быстро, другие не имеют измеримого вращения. Мы все еще не до конца понимаем, как образуются черные дыры во Вселенной, но наши наблюдения позволяют получить важнейшее представление об этих вопросах".
|
|
Космические связи
|
|
|
|
Основываясь на новейших данных, полученных с помощью гравитационных волн, ученые начали устанавливать связи между свойствами черных дыр как совокупности.
|
|
|
|
"Например, этот набор данных укрепил нашу уверенность в том, что черные дыры, которые сталкивались ранее в истории Вселенной, могли иметь более крупные спины, чем те, которые сталкивались позже", - говорит Сальваторе Витале, доцент физики Массачусетского технологического института и сотрудник лаборатории Массачусетского технологического института LIGO.
|
|
|
|
Эта идея поднимает интересные вопросы о том, какие условия могли привести к образованию черных дыр в ранней Вселенной.
|
|
|
|
Новые открытия также позволили ученым проверить общую теорию относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает гравитацию как геометрическое свойство пространства и времени.
|
|
|
|
"Черные дыры - одно из самых знаковых и ошеломляющих предсказаний общей теории относительности", - говорит соавтор и член LVK Аарон Циммерман, доцент физики Техасского университета в Остине, добавляя, что при столкновении черных дыр они "сотрясают пространство и время сильнее, чем почти любая другая теория". другой процесс, который мы можем себе представить наблюдающим. При проверке наших физических теорий полезно обратить внимание на самые экстремальные ситуации, в которых мы можем оказаться, поскольку именно здесь наши теории с наибольшей вероятностью окажутся несостоятельными и где у нас больше всего шансов на открытие".
|
|
|
|
Ученые проверили теорию Эйнштейна, используя GW230814_230901, который является одним из самых "громких" гравитационно-волновых сигналов, наблюдаемых на сегодняшний день. Удивительно четкий сигнал дал ученым возможность изучить его в деталях, чтобы увидеть, могут ли какие-либо аспекты сигнала отклоняться от того, что предсказывает теория Эйнштейна. Этот сигнал расширил границы их тестов общей теории относительности, успешно пройдя большинство из них, но продемонстрировав, как шум окружающей среды может стать проблемой для других в таком экстремальном сценарии.
|
|
|
|
"Пока что теория проходит все наши тесты", - говорит Циммерман. "Но мы также понимаем, что должны делать еще более точные прогнозы, чтобы не отставать от всех данных, которые предоставляет нам Вселенная".
|
|
|
|
Обновленный каталог также помогает ученым разобраться в ключевой загадке космологии: с какой скоростью расширяется Вселенная сегодня? Ученые попытались ответить на этот вопрос, измерив скорость, известную как постоянная Хаббла. Различные методы, использующие различные астрофизические источники, дали противоречивые ответы.
|
|
|
|
Гравитационные волны предлагают альтернативный способ измерения постоянной Хаббла, поскольку ученые могут относительно простым способом определить, как далеко эти волны удаляются от своего источника.
|
|
|
|
"Сливающиеся черные дыры обладают действительно уникальным свойством: мы можем определить, как далеко они находятся от Земли, просто проанализировав их сигналы", - говорит соавтор и член LVK Рэйчел Грей, преподаватель Университета Глазго, которая занималась космологической интерпретацией данных каталога. "Таким образом, каждая сливающаяся черная дыра дает нам возможность измерить постоянную Хаббла, и, объединив все источники гравитационных волн вместе, мы можем значительно повысить точность этого измерения".
|
|
|
|
Проанализировав все обнаруженные гравитационно-волновые данные во всем каталоге LVK, ученые пришли к новой независимой оценке постоянной Хаббла, которая предполагает, что Вселенная расширяется со скоростью 76 километров в секунду на мегапарсек (квадратный объем около полумиллиарда световых лет широкий).
|
|
|
|
"Этот метод еще только разрабатывается, и мы рассчитываем значительно повысить нашу точность по мере обнаружения большего количества источников гравитационных волн", - говорит Грей.
|
|
|
|
"Каждое новое обнаружение гравитационных волн позволяет нам раскрыть еще один фрагмент головоломки Вселенной так, как мы не могли этого сделать всего десять лет назад", - говорит Люси Томас, которая руководила частью анализа каталога и является постдоком в лаборатории LIGO Калифорнийского технологического института. "Невероятно интересно думать о том, какие астрофизические тайны и сюрпризы мы можем раскрыть в ходе будущих наблюдений".
|
|
|
|
Источник
|
