|
Детекторы гравиволн могут обнаружить черные дыры
|
|
|
|
Через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва зажглись первые звезды — в буквальном смысле этого слова, момент "да будет свет" для Вселенной. Известные астрономам как звезды третьей популяции, или Pop III, эти гиганты сильно отличались от звезд, которые мы знаем сегодня. Они образовались из чистого водорода и гелия, почти без "металла" (то есть других элементов), сдерживающих их образование. Они также были огромными, в десятки и сотни раз превышая размеры Солнца. И они умерли молодыми, во многих случаях превратившись в самые ранние черные дыры во Вселенной.
|
|
|
|
Некоторые из этих черных дыр даже объединились, в конечном счете столкнувшись друг с другом и создав гравитационные волны, которые, если бы у нас были достаточно чувствительные приборы, мы потенциально могли бы обнаружить. Новое исследование, опубликованное на сервере препринтов arXiv под руководством астрофизика Н.В. Кришненду из Бирмингемского университета и его коллег, показывает, как много мы можем узнать о них с помощью нового набора детекторов гравитационных волн, который вот-вот появится в Сети.
|
|
|
|
Современные гравитационно-волновые обсерватории, такие как LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, доказали свою высокую эффективность. Они зафиксировали около 400 событий, первое из которых произошло всего 11 лет назад. Однако их возможности ограничены расстоянием, а значит, и временем, если говорить о космосе. Из-за того, что они регистрируют только высокочастотные волны, они могут заглянуть в прошлое лишь на 8 миллиардов лет. Это всё равно впечатляющий результат, но его недостаточно, чтобы получить какие-либо данные о звёздах Pop III.
|
|
|
|
|
|
|
На помощь приходят новые проекты. Два из них призваны вывести гравитационно-волновую астрономию на новый уровень. Cosmic Explorer (CE), расположенный в США, представляет собой L-образную установку, похожую на LIGO, с плечами длиной до 40 км (25 миль). Einstein Telescope (ET), в свою очередь, — это подземная обсерватория на Сардинии, построенная в форме треугольника со сторонами длиной 10 км (6 миль).
|
|
|
|
Несмотря на то, что эти новые обсерватории обладают большим потенциалом, определить, как выглядела бы чёрная дыра в ранней Вселенной, непросто. Из-за расширения Вселенной гравитационная волна, возникшая около 14 миллиардов лет назад, к моменту достижения Земли растянется в 19 раз. Из-за этого чёрные дыры кажутся не только более массивными, но и их сигнал становится менее частотным. Например, пара черных дыр массой в 30 масс Солнца, слившихся в то время, выглядела бы для наших детекторов как гигантская двойная система из двух черных дыр массой в 1100 масс Солнца.
|
|
|
|
Это не первая работа, в которой говорится об этом, и не первая попытка выяснить, насколько хорошо новые детекторы смогут улавливать сигналы от таких древних слияний. В предыдущих исследованиях для оценки того, смогут ли новые телескопы определить параметры слияния очень древних черных дыр, часто использовалась математическая модель под названием «матрицы Фишера». В новой работе, напротив, смоделирован реалистичный набор звезд Pop III и с помощью байесовского суперкомпьютерного моделирования проверена способность комбинации телескопов ET и CE определять параметры слияний, произошедших более 13,54 миллиарда лет назад.
|
|
|
|
Все упирается в частоту. Исследователи смоделировали два детектора: один мог улавливать колебания с частотой 10 Гц, а другой, более совершенный, — с частотой 5 Гц. Разница в 5 Гц может показаться незначительной, но для гравитационных волн это очень много. Детектор с частотой 10 Гц мог бы уловить только последние секунды «инспирации» — смертельной спирали, в которой две черные дыры в конечном итоге соприкасаются и вибрируют, — за которой следует «ringdown».
|
|
|
|
С другой стороны, детектор с частотой 5 Гц мог бы уловить часть движения по нисходящей спирали достаточно рано, чтобы отследить несколько полных орбитальных циклов до того, как объекты столкнутся друг с другом. Это существенно расширило бы понимание свойств таких слияний и позволило бы астрономам не спутать эти искажённые первичные маяки с более привычными чёрными дырами, расположенными ближе к нам.
|
|
|
|
Ещё одно преимущество этих симуляций заключается в том, что детекторы, судя по всему, способны измерять физическую массу этих древних чёрных дыр с точностью до 12% от их реальной массы. Это крайне полезная функция, поскольку в настоящее время физики ведут жаркие споры о том, почему сверхмассивные чёрные дыры появились так рано в истории Вселенной. Точное определение их массы поможет учёным понять, как они стали такими большими и не были ли их измерения в какой-то мере необъективными.
|
|
|
|
Третья особенность симуляции заключается в том, что новый набор детекторов должен быть способен определять местоположение этих слияний двойных систем с точностью до 60 квадратных градусов — по крайней мере в 60% случаев. В сочетании с данными, полученными с помощью гигантских радиотелескопов, таких как Square Kilometer Array (SKA), эта локализация позволит учёным связать чёрные дыры с другими космологическими объектами, например с нейтральным водородом, распространяющимся по Вселенной.
|
|
|
|
Надо признать, что вся эта потенциальная научная работа зависит от двух еще не построенных детекторов, расположенных в совершенно разных частях света. Каждый из них представляет собой комплекс инженерных задач, которые еще предстоит решить. Но если это удастся, мы впервые сможем заглянуть в умирающие звезды, которые подарили нам свет.
|
|
|
|
Источник
|
