Trečiasis gravitacinių bangų signalas: juodųjų skylių susidūrimas prieš 2 mlrd. metų

Iliustracija, kaip galėjo atrodyti juodosios skylės prieš susijungimą. © Aurore Simonnet, Sonoma State University

Kosmosas Trečiasis gravitacinių bangų signalas: juodųj...

Prieš beveik dvejus metus atnaujintas LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) pirmą kartą aptiko gravitacines bangas, susidariusias po kolosalaus dviejų juodųjų skylių susijungimo, pavadinto GW150915. Simboliška, jog pirmasis gravitacinių bangų atradimas įvyko praėjus šimtmečiui po Einsteino bendrosios reliatyvumo teorijos paskelbimo.

Netrukus buvo aptiktas ir antrasis dviejų juodųjų skylių susidūrimas, GW151226, po kurio neilgai trukus detektoriai buvo išjungti priežiūros darbams, siekiant padidinti jų jautrumą. Atnaujinti LIGO detektoriai pradėjo antrąjį stebėjimų etapą 2016 m. lapkričio mėnesį ir, praėjus vos keliems mėnesiams, buvo aptiktas trečiasis gravitacinių bangų šaltinis – GW170104.

GW170104

Kiek neįprasta, tačiau signalas automatiškai aptiktas buvo tik viename iš detektorių (Livingstone), tuo tarpu detektorius Hanforde buvo nepasiekiamas dėl programinės klaidos. Ištaisius programinę klaidą paaiškėjo, kad Hanfordo detektorius taip pat aptiko signalą.

 

Du viršutiniai grafikai parodo, kaip signalo dažnis kinta abiejuose detektoriuose. Signalas turi įprastą juodųjų skylių susijungimo bruožą: dažnis didėja juodosioms skylėms artėjant viena kitos. Žemiau esantis grafikas vaizduoja teorinio modelio prognozę (juoda) ir detektorių aptiktas bangas (mėlyna, ruda). Žemiausiai esantis grafikas parodo skirtumą tarp teorinio modelio ir aptiktų signalų. Paimta iš Abbott et al. (2017).

Aptikus signalą, praktiškai akimirksiu žinomi jo parametrai: atstumas, masė, orbitos kampas, padėtis dangaus atžvilgiu ir t.t. [žr. detalesnius paaiškinimus žemiau]. Paaiškėjo, jog šių bangų šaltinis yra dvi juodosios skylės, atitinkamai 19.4 ir 31.2 Saulės masių, kurios susijungė prieš daugiau nei du milijardus metų. Susijungusios juodosios skylės sukūrė didesnę juodąją skylę, 48.7 kartus masyvesnę už Saulę. Verta pastebėti, kad pradinės juodosios skylės kartu sveria daugiau negu galutinė juodoji skylė. Maždaug dvi Saulės masės pavirto į energiją ir buvo išspinduliuota kaip gravitacinės bangos vos per vieną dešimtąją sekundės dalį. Tai yra ryškiau nei visa žvaigždžių šviesa Visatoje per tą patį laiko tarpą! Taip pat nustatytas atstumas iki GW170104 – juodoji skylė yra maždaug dvigubai toliau nei GW150914, t.y. bangos iki mūsų keliavo apie 3 mlrd. metų.

Ką naujo sužinojome iš GW170104?

GW170104 yra trečiasis patvirtintas gravitacinių bangų šaltinis, kuris papildo vis didėjančią aptiktų juodųjų skylių populiaciją. Kiekvienas atradimas leidžia vis geriau nustatyti galimus scenarijus, kaip susidaro dvinarės juodosios skylės. Šiuo metu vyrauja du modeliai: pirmasis jų teigia, jog dvinarės juodosios skylės gali susidaryti dviejų žvaigždžių sistemoje, jeigu tų žvaigždžių cheminė sudėtis yra panaši; antrasis modelis tvirtina, kad juodosios skylės susidaro po vieną ir žvaigždžių spiečiuje esančios juodosios skylės pamažu keliauja į spiečiaus centrą, kur gali susijungti į poras. Kol kas turima per mažai stebėjimų, kad būtų galima nustatyti vyraujantį modelį, tačiau per artimiausią dešimtmetį šis klausimas turėtų būti daugmaž atsakytas.

Žinomų juodųjų skylių masių diagrama. GW170104 (dešinėje) yra daugmaž per vidurį tarp ankstesnių LIGO aptiktų juodųjų skylių. LVT151012 laikomas nepatvirtintu aptikimu, kadangi nepasiekė visuotinai priimtos 5 sigma  statistinio patikimumo reikšmės, būtinos norint paskelbti atradimą. © Aurore Simonnet, Sonoma State University

Naujasis atradimas taip pat suteikia puikią progą patikrinti fundamentalius bendrosios reliatyvumo teorijos aspektus. Sujungus naujus stebėjimų rezultatus su ankstesniais, buvo patikrinta, ar nėra jokių nenumatytų gravitacinės bangos kitimo požymių. Kaip ir anksčiau, bendroji reliatyvumo teorija be priekaištų atlaikė visus testus. Pirmą kartą istorijoje buvo patikrinta, ar gravitacinės bangos sklinda be dispersijos. Pavyzdžiui, skirtingi elektromagnetinės bangos dažniai sklinda skirtingu greičiu vandenyje (būtent dėl to matome vaivorykštę), tuo tarpu vakuume greičiai yra vienodi. Naujausi rezultatai leidžia teigti, kad gravitacinės bangos arba visiškai neturi, arba turi nykstamai mažą dispersiją.

Gravitacinių bangų aptikimas LIGO detektoriuose

Gravitacinės bangos, sklisdamos erdvėlaikiu, jį deformuoja – ištempia arba sutraukia, priklausomai nuo objekto padėties bangos atžvilgiu. Jų dydis apibūdinamas santykinio pailgėjimo koeficientu – h (angl. strain), parodančiu, kaip pasikeitė objekto dimensijos. Principas, naudojamas LIGO aptikti gravitacines bangas, gan paprastas: lazerio spindulys padalinamas į du 4km ilgio srautus, kurie keliauja statmenai vienas kitam ir grįžta atsispindėję nuo veidrodžių. Jeigu per šį laiko tarpą per detektorių keliavo gravitacinė banga, ji deformuos detektorių taip, kad spinduliai nukeliaus skirtingą atstumą. Atstumų pokytis gali būti įvertintas spinduliams grįžus ir susijungus. GW170104 amplitudė pasiekus žemę liko viso labo ; tai reiškia, jog LIGO turėjo aptikti m siekiantį tunelių ilgių skirtumą.

Vis dėlto turėti vien puikiai veikiantį detektorių nepakanka. Norint atrasti signalą tarp tūkstančių triukšmo šaltinių, reikia panaudoti teorines žinias ir superkompiuterius. Einsteino bendroji reliatyvumo teorija numato, kaip gravitacinė banga turėtų atrodyti susijungiant skirtingų parametrų juodosioms skylėms. Mokslininkai, apskaičiavę šimtus tūkstančių pavyzdinių bangų, tikrina, ar kuri nors iš jų atitinka duomenis, gaunamus iš LIGO. Jeigu kuri nors banga labai artimai atitinka duomenis, vykdoma tolimesnė analizė ir nusprendžiama, ar signalas yra išties gravitacinė banga.

Pavyzdys, kaip LIGO duomenys tikrinami su įvairių parametrų gravitacinėmis bangomis. © Chris North ir Mark Hannam, Cardiff University.

Originalų straipsnį galite peržiūrėti „Physics Review Letters“.

Galite patys pabandyti aptikti GW170104 (reikalingos pradinės programavimo žinios).

Techo naujienos į Jūsų el. pašo dėžutę: