С 2015 года у нас появился новый способ изучения Вселенной посредством прямого обнаружения гравитационных волн (ГВ). На сегодняшний день интерферометрами Advanced LIGO и Advanced Virgo зарегистрировано 90 ГВт событий. Эти ГВ-сигналы излучались за счет закручивания и слияния двойных систем черных дыр различной массы, двойных систем нейтронных звезд (НС), а также смешанных двойных систем, состоящих из черной дыры и НЗ. Хотя в действительности двойные системы развиваются в течение миллионов лет, пока их компоненты окончательно не сольются, в наших детекторах они кажутся преходящими — длящимися всего порядка секунд или минут — потому что их частота быстро увеличивается в течение нескольких последних оборотов двойной системы. Помимо этих кратковременных сигналов, мы ожидаем и другие виды ГВ-излучения, которые не так быстро меняют свою частоту и могут наблюдаться месяцами и годами. Эти непрерывные гравитационные волны (ГВ) являются основным предметом исследования, представленного здесь.
Среди возможных астрофизических источников КС — вращающиеся неосесимметричные НЗ (крайний пример сферы, деформированной в неосесимметричную форму, — мяч для американского футбола или регби). НЗ — чрезвычайно компактные объекты — с массами, подобными массе Солнца, сжатой в шар радиусом около 10 километров — образовавшиеся после взрыва массивных звезд, которые в конце своей жизни подвергаются взрывам сверхновых. НС могут быть быстрыми ротаторами, вращающимися с частотой до нескольких сотен раз в секунду. Вращающаяся НЗ может излучать регистрируемые КС с частотой, вдвое превышающей частоту вращения звезды, если она обладает асимметрией относительно своей оси вращения. Согласно текущим теоретическим моделям и предыдущим поискам LIGO-Virgo CW, такая асимметричная выпуклость (иногда также называемая «горой», «приподнятое плато» или деформация на одной стороне северной широты) будет не более нескольких сантиметров в высоту. Чем больше асимметрия NS, тем сильнее она генерирует ГВ. Например, выпуклость в несколько сантиметров соответствует деформации НС от сферической симметрии, также называемой выпуклостью. эллиптичность — несколько частей на миллион. Определить эллиптичность NS непросто, но однажды обнаруженная, она даст поистине уникальное представление о свойствах чрезвычайно плотного вещества и сильных магнитных полей, из которых состоит звезда. В настоящее время эти свойства очень плохо известны. В дополнение к примерно 3000 звездным звездам, известным астрономам, потому что они электромагнитно яркие (например, как радиопульсары), наша Галактика, Млечный Путь, по оценкам, содержит до 100 миллионов NS, невидимых в электромагнитном излучении, потому что они либо слишком слабы, чтобы их можно было обнаружить, либо их электромагнитное излучение не направлено на Землю. Однако, если какие-либо из этих НЗ достаточно асимметричны, они могут излучать ГВ, обнаруживаемые нашими интерферометрами. Конечной целью нашего поиска является обнаружение сигналов ГВ от этих миллионов пока ненаблюдаемых объектов.
Поиски, подобные этому, проводились с использованием данных Advanced LIGO и Advanced Virgo ранее, в периоды наблюдений O1 , O2 и первой половины периода наблюдения O3 (O3a). Здесь мы суммируем недавние результаты, полученные на основе наиболее чувствительных на сегодняшний день данных, сеанса наблюдений LIGO–Virgo O3 (апрель 2019 г. — март 2020 г.).
Обнаружение очень слабых непрерывных сигналов, скрытых в данных детектора, является сложной задачей. Сигнал CW в основном является периодическим, но многие факторы изменяют сигналы, принимаемые детектором. Одним из них является эффект Доплера, который со временем сдвигает частоту сигнала, потому что наши детекторы размещены на Земле, которая вращается и движется вокруг Солнца. Таким образом, частота сигнала модулируется в зависимости от взаимного расположения источника и детектора, а также от самой частоты ГВ. Еще больше усложняет ситуацию то, что частота ГВ также будет изменяться во времени — НС теряет вращательную энергию за счет эмиссии ГВ и электромагнитного излучения, вызывая постепенное уменьшение частоты сигнала, называемое вращением вниз. Мы также ищем сигналы GW, раскручивающиеся (увеличивающие свою частоту), чтобы быть уверенными, что мы не пропустим потенциально интересные сигналы с такими характеристиками. Примером этого типа сигнала может быть вдохновляющая двойная система легких компактных объектов, например, черные дыры планетарной массы.
Для заданного положения неба, частоты вращения и замедления источника мы можем точно вычислить форму волны непрерывного излучения и обнаружить сигнал, скрытый в данных, используя хорошо известные методы анализа данных, такие как согласованная фильтрация. Настоящая трудность заключается в том, что фактические астрофизические свойства источника CW неизвестны, поэтому нам нужно пройти через большое количество возможных комбинаций параметров, что делает поиск вычислительно сложным. Чтобы справиться с этим на практике, мы разработали многоступенчатые (иерархические) конвейеры, которые используют согласованную фильтрацию на небольших фрагментах данных (длительность временных сегментов от получаса до нескольких дней), а затем объединяют эти частичные фрагменты информации. для сбора доказательств наличия в данных сигнала CW с определенными параметрами. Методы иерархического поиска менее чувствительны, чем оптимальная процедура, которая представляет собой прямое применение согласованной фильтрации, но они устойчивы к неопределенностям модели сигнала. и практически осуществимо с вычислительной точки зрения, несмотря на отсутствие информации о параметрах сигнала. Еще одна сложность связана с самими данными детектора: данные содержат на многих частотах различные инструментальные помехи, которые могут быть очень похожи на непрерывные сигналы. Важной частью анализа является идентификация этих ложных сигналов и удаление их из списка сигналов-кандидатов GW.
Чувствительность , достигнутая детекторами Advanced LIGO и Advanced Virgo во время запуска O3, продолжавшегося около года, позволила провести наиболее чувствительный поиск неизвестных источников CW из когда-либо проводившихся: обзор всего неба, частот GW от 20 Гц до 2048 Гц и скорость изменения частоты (диапазон снижения скорости вращения) от -10 -8 Гц/с до 2×10 -9Гц/с. В текущем поиске результаты были получены четырьмя независимыми иерархическими конвейерами анализа данных. Методы охватывают разные диапазоны частот и замедления вращения, используют сегменты данных разной длины, применяют разные процедуры очистки данных для уменьшения влияния шума в данных и используют разные методы для отслеживания возможных кандидатов в сигналы GW, иногда с использованием современных машин . методы обучения, такие как глубокие нейронные сети.
Наш анализ не обнаружил каких-либо статистически значимых свидетельств CW-сигналов в данных LIGO-Virgo O3. Чтобы ограничить теоретические модели излучения непрерывного излучения, мы вычислили верхние пределы амплитуды гравитационного волнения: пределы того, насколько сильным может быть сигнал непрерывного излучения, который все еще не может быть обнаружен. Нашими лучшими верхними пределами являются амплитуда сигнала 1,1×10 -25 на частоте 111,5 Гц. Эти результаты в 1,5 раза лучше — ограничивают амплитуду меньшими значениями — чем результаты предыдущего периода наблюдения, называемого O2.
На частоте 200 Гц мы могли бы обнаружить сигнал CW от НС на расстоянии 100 пк (парсек) , если бы его эллиптичность была не менее 3×10 -7 . Точно так же в среднем диапазоне частот, около 550 Гц, мы могли бы обнаружить сигнал CW на расстоянии до 1 кпк (1000 парсек) с эллиптичностью более 5 × 10 −7.. Для сравнения, радиус нашей Галактики составляет около 15 кпк. Хотя нельзя претендовать на обнаружение, наши результаты, тем не менее, интересны с астрофизической точки зрения и проливают больше света на свойства галактических звездных звезд. Наши верхние пределы начинают исследовать диапазон эллиптичностей до 10-7 – 10-6 для некоторых моделей более молодых НС, в которых деформация поддерживается не упругостью земной коры, а неосесимметричным магнитным полем.
В дополнение к ограничениям на эллиптичности изолированных НС мы показываем, что наши результаты могут быть использованы для утверждений о частоте и обилии вдохновляющих гипотетических очень легких черных дыр (с массами, подобными массам планет и астероидов), которые могли быть созданы в ранней Вселенной и может составлять часть таинственной темной материи . Сигналы ГВ от двойных систем, в которых хотя бы один компонент представляет собой очень легкую черную дыру, очень медленно изменяют свою частоту во время фазы вдоха — в течение длительного времени они являются практически непрерывными сигналами с небольшим изменением частоты при раскрутке. Мы показываем, что поиски CW в ближайшем будущем могут быть использованы для обнаружения таких объектов, предоставляя информацию о легких черных дырах, если они присутствуют в окрестностях нашей Солнечной системы.
По мере повышения чувствительности детекторов Advanced LIGO и Advanced Virgo, а также с помощью детектора KAGRA во всемирной сети мы сможем обнаруживать КС от вращающихся НЗ с еще меньшими деформациями, охватывать большую часть Галактика, и проверить различные другие гипотезы, такие как существование очень легких черных дыр. Обнаружение этих сигналов откроет новый рубеж в изучении этих удивительных компактных объектов, которые станут настоящими лабораториями для астрофизики и фундаментальной физики: как только обнаружен источник непрерывного излучения, его, в принципе, можно отслеживать сколь угодно долго. Это позволяет нам повысить достоверность обнаружения почти до абсолютной достоверности, измерять параметры НС с чрезвычайно высокой точностью, калибровать наши детекторы и проверять теории гравитации.
ГЛОССАРИЙ
- Непрерывные гравитационные волны : продолжительная форма гравитационного излучения.
- Эллиптичность : Грубо говоря, эллиптичность можно рассматривать как отношение размера Δr деформации или «горы» на поверхности нейтронной звезды к радиусу звезды r: Δr/r. Экваториальная эллиптичность измеряет, насколько тело далеко от сферической формы, определяемой как относительная деформация в экваториальной плоскости по отношению к деформации в перпендикулярном направлении в той же плоскости. Точно так же полярная эллиптичность измеряет разницу между плоскостью, проходящей через звездные полюса, и плоскостью экватора.
- Герц (Гц) : Герц — это единица частоты в Международной системе единиц (СИ), определяемая как один цикл в секунду. Эта единица названа в честь Генриха Рудольфа Герца (1857–1894), доказавшего существование электромагнитных волн.
- Машинное обучение : изучение компьютерных алгоритмов, которые могут автоматически улучшаться благодаря опыту и использованию данных.
- Согласованная фильтрация : метод анализа данных, состоящий из сопоставления данных с смоделированной формой волны, чтобы попытаться идентифицировать сигналы, скрытые в фоновом шуме детектора.
- Парсек (пк) : единица расстояния, широко используемая в астрономии. Это соответствует примерно 3,26 светового года или 31 триллиону километров. Один килопарсек (кпк) равен одной тысяче пк.
- Пульсар : от «пульсирующего радиоисточника»: сильно намагниченная вращающаяся компактная звезда, испускающая лучи электромагнитного излучения из своих магнитных полюсов.
- Спин вниз : Пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды, которые вращаются настолько регулярно в течение длительного времени, что их можно рассматривать как маяки эталонного положения. Обычно видно, что их скорость вращения со временем уменьшается (что эквивалентно увеличению периода вращения), поскольку со временем они теряют энергию вращения. Это замедление скорости вращения нейтронной звезды называется замедлением вращения. И наоборот, увеличение скорости вращения называется раскруткой — это может произойти, если пульсар находится в двойной системе и раскручивается за счет аккреции вещества от своего звездного компаньона.
- Чувствительность : описание способности детектора обнаруживать сигнал. Детекторы с более низким уровнем шума способны обнаруживать более слабые сигналы, и поэтому говорят, что они имеют более высокую (или большую) чувствительность.
- Верхний предел : Верхний предел некоторой величины (например, амплитуды гравитационной волны) — это наименьшее значение, которое мы можем обнаружить с 95-процентной уверенностью. Поэтому, если мы ничего не обнаружили, мы на 95% уверены, что нет источников, дающих более высокие значения.
- Waveform : поведение амплитуды сигнала как функции времени.
