ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ ОТ МАЛЕНЬКИХ ЧЕРНЫХ ДЫР
LIGO и Virgo уже обнаружили множество пар больших черных дыр (ЧД) из-за гравитационных волн, генерируемых по мере того, как они закручиваются вместе и сливаются, но можем ли мы таким же образом увидеть и очень маленькие черные дыры?
Используя данные LIGO и Virgo с 1 апреля по 1 октября 2019 года, мы искали ЧД размером с одну пятую массы Солнца, используя 3 различных конвейера на основе согласованных фильтров . Этот поиск охватывает больший диапазон масс и вращений ЧД, чем предыдущий анализ . Мы не нашли подходящего сигнала-кандидата для компактных объектов с массой меньше одной солнечной.
Необнаружение этих сигналов позволяет нам установить новые верхние пределы плотности скорости слияния ЧД субсолнечной массы. Эти ограничения могут быть преобразованы в ограничения физических параметров любой астрофизической модели, которая может генерировать двойные системы субсолнечной массы. Наши новые результаты значительно улучшают ограничения микролинзирования и линзирования сверхновых в той же области масс, а также наши предыдущие ограничения от O1 и O2; мы получили верхний предел численности этих ЧД в зависимости от их массы при образовании, где f ЧДниже 5%.
Если детекторы LIGO-Virgo наблюдают гравитационные волны от двойной системы из двух компактных объектов, где по крайней мере один из двух компонентов имеет субсолнечную массу, этот результат бросит вызов нашему пониманию звездной эволюции или, возможно, намекнет на новую физику.
ЖИЗНЬ И БУРНАЯ СМЕРТЬ ЗВЕЗД
Звезды проводят большую часть своей жизни в состоянии равновесия, когда внешнее давление, создаваемое реакциями ядерного синтеза , поддерживает материю против внутренней гравитационной силы. В зависимости от массы звезды ядерные реакции могут длиться миллионы или даже миллиарды лет. Более тяжелые звезды сияют ярче и быстрее расходуют свое топливо, проживая более короткую жизнь.
Ядерным топливом для молодых звезд, таких как наше Солнце, в основном является водород. Когда звезда превратила весь водород в своем ядре в гелий, ядерные реакции больше не могут поддерживать материю против силы гравитации, и звезда начинает коллапсировать. Сжимающаяся звезда достигает более высокой температуры в самых внутренних областях, и, если масса достаточно велика, звезда может начать новый ядерный синтез с участием гелия или даже более тяжелых элементов. Звезда проходит через различные фазы равновесия, пока в конце концов условия для запуска дальнейших ядерных реакций больше не удовлетворяются. В этот момент звезда начнет коллапсировать, и модели звездной эволюции предсказывают разные окончательные судьбы звезды, опять же в зависимости от ее начальной массы. Для легких звезд с массой менее 10 масс Солнца давление вырождения электронов достаточно велико, чтобы остановить гравитационный коллапс, и они становятся белыми карликами. Напротив, более тяжелые звезды становятся нейтронными звездами , а очень массивные звезды с начальной массой, превышающей примерно 25 масс Солнца, превращаются в ЧД.
Модели звездной эволюции предсказывают, что ни черные дыры, ни нейтронные звезды не могут быть компактными объектами субсолнечной массы . На самом деле, самая легкая нейтронная звезда, наблюдаемая до сих пор, имеет массу, немного превышающую одну массу Солнца, тогда как ЧД, возникшие в результате звездной эволюции, являются более тяжелыми объектами.
КАКИМИ МОГУТ БЫТЬ КОМПАКТНЫЕ ОБЪЕКТЫ СУБСОЛНЕЧНОЙ МАССЫ?
Несколько моделей связывают компактные объекты субсолнечной массы с темной материей. Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая не излучает никакого света, что затрудняет ее обнаружение. Он темный, как и ЧД, и его можно воспринять только через гравитационные эффекты.
Мы не знаем, каковы строительные блоки темной материи, но считается, что последняя составляет большую часть материи во Вселенной. Среди предложенных кандидатов на темную материю привлекательная возможность состоит в том, что она может включать новые типы фундаментальных частиц, которые в основном взаимодействуют через гравитацию. В этом контексте теоретики предсказывают, что плотные области частиц темной материи могут коллапсировать в ЧД с массами, которые нельзя объяснить с помощью известных астрофизических процессов. С другой стороны, сверхлегкие частицы могут слипаться и образовывать компактные объекты с очень малой массой, известные как бозонные звезды. Кроме того, частицы темной материи могут гравитационно взаимодействовать с нейтронными звездами и вызывать их коллапс в ЧД и в конечном итоге образовывать компактный объект субсолнечной массы. Все эти возможности в настоящее время изучаются.
Другая возможность состоит в том, что темная материя состоит не только из частиц, но и из черных дыр, образовавшихся на ранних стадиях Вселенной в результате гравитационного коллапса сверхплотных областей. Они известны как первичные ЧД, которые могут иметь массу меньше одной солнечной массы.
Анализ второй части O3 (называемой O3b) в настоящее время продолжается и может в конечном итоге раскрыть событие слияния субсолнечной массы или еще больше улучшить ограничения на обилие этих объектов во Вселенной. Кроме того, Advanced LIGO, Advanced Virgo и KAGRA собираются начать новый цикл наблюдений в 2022 году с большей чувствительностью, чем когда-либо!
ГЛОССАРИЙ
- Черная дыра : область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что не позволяет чему-либо, включая свет, покинуть ее.
- Согласованная фильтрация : метод анализа данных, состоящий из сопоставления данных с смоделированной формой волны, чтобы попытаться идентифицировать этот сигнал, скрытый в шуме детектора.
- Spin : Величина, которая измеряет, насколько быстро объект вращается вокруг себя.
- Плотность скорости слияния : количество двоичных файлов компактных объектов, которые, как ожидается, будут сливаться на единицу объема пространства в год.
- Изначальная ЧД : Теоретический тип ЧД, сформировавшийся в ранней Вселенной. Колебания плотности энергии Вселенной могли привести к тому, что области пространства были настолько плотными, что они спонтанно коллапсировали, образуя ЧД. Поскольку они не образуются в результате коллапса массивных звезд, первичные ЧД предположительно могли существовать с массой меньше одной солнечной.
- Темная материя : эта загадочная форма материи составляет около 85% массы Вселенной. Он темный, потому что не излучает свет и не взаимодействует электромагнитным образом. Многие теории темной материи предсказывают, что это какой-то тип фундаментальной частицы, но также интересно рассмотреть возможность того, что самые темные известные нам объекты (ЧД!) могут быть компонентом темной материи.
- Эксперименты с микролинзированием : гравитационное линзирование — это оптический эффект, возникающий, когда распределение материи (например, скопление галактик) находится между удаленным источником света и наблюдателем на Земле; гравитационный эффект этого вещества искривляет путь света, как линза. Если линза меньше галактики (например, звезды), эффект известен как «микролинзирование» и проявляется как изменение яркости источника.
- Линзирование сверхновой : Гравитационное линзирование, вызванное компактными объектами на линии обзора между Землей и сверхновой типа I, может увеличить яркость сверхновой. Этот эффект зависит от первичных моделей ЧД и может использоваться для установления ограничений на их совокупность.
- Гало темной материи: Гало темной материи — предполагаемый ореол темной материи, который пронизывает и окружает отдельные галактики.
- Модели звездной эволюции : это математические модели, которые используются для изучения того, как физические параметры звезды изменяются со временем, с момента ее рождения до момента, когда она становится звездным остатком.
- Ядерный синтез : Ядерный синтез происходит, когда два ядра сливаются вместе в одно ядро. Для элементов легче железа это приводит к выделению энергии. Эта энергия питает звезды.
- Давление вырождения : Давление вырождения — это квантовый эффект, который возникает, когда идентичные частицы (такие как электроны или нейтроны) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это приводит к квантовому давлению, которого может быть достаточно, чтобы предотвратить гравитационный коллапс звезды, даже после того, как все ее топливо было исчерпано.
- Нейтронная звезда : чрезвычайно плотный остаток от коллапса массивной звезды, поддерживаемый давлением нейтронного вырождения.
- Объект субсолнечной массы : астрофизический объект считается объектом субсолнечной массы, если его масса меньше массы Солнца, что обозначается символом M ☉ .Ф
