Мы представляем обновленный каталог кандидатов в гравитационные волны (ГВ) по данным, собранным детекторами LIGO и Virgo в первой половине третьего сеанса наблюдений (O3a). Это обновление, названное GWTC-2.1, соответствует тому же периоду наблюдений, что и GWTC-2 , начиная с 1 апреля 2019 г. и заканчивая 1 октября 2019 г., но включает события-кандидаты с более низкой статистической значимостью, чтобы помочь с множественными -поиск мессенджера и использует улучшения в методах обработки и анализа данных.
ПЕРВО-НАПЕРВО
Когда гравитационные волны (ГВ) излучаются в результате астрофизического события (обычно при столкновении двух компактных объектов), они проходят через пространство и, в конечном итоге, через Землю, заставляя зеркала детекторов ГВ слегка двигаться. Детекторы GW отлично улавливают это движение. Однако, поскольку многие явления, не являющиеся ГВ, также могут вызывать движение зеркал, иногда мы можем видеть колебание, которое выглядит как слабый ГВ сигнал, но на самом деле это не так. Точно так же истинный сигнал GW может быть скрыт под большим количеством других шумов, из-за чего трудно уверенно идентифицировать что-то в данных как действительно астрофизическое по своей природе. По этой причине первоначальное внимание уделяется сигналам (часто называемым «событиями-кандидатами» или просто «событиями»), которые являются более сильными и как таковые однозначно идентифицируются как ГВ (по крайней мере, с высокой степенью вероятности).
События GW, которые превышают определенный порог высокой значимости, публикуются в каталогах (Каталог переходных процессов гравитационных волн или GWTC). Научное сотрудничество LIGO и Virgo выпустило в 2020 году наш второй такой каталог, GWTC-2 . Этот каталог включает все события GW из более раннего GWTC-1 и события, обнаруженные в первой половине третьего цикла наблюдений (O3a) с частотой ложных тревог (FAR) менее 2 в год. Всего в этом каталоге было идентифицировано 39 новых сигналов GW от O3a, среди которых было несколько исключительных событий .
ИТАК... КАК НАСЧЕТ GWTC-2.1?
С более слабыми сигналами предстоит еще много научных исследований. Некоторые астрофизические события испускают несколько типов излучения в дополнение к ГВ, а именно электромагнитные волны (свет) и нейтрино . Основная цель создания этого обновленного каталога — повысить вероятность обнаружения кандидатов на GW, которые совпадают по времени и местоположению с этими другими типами астрофизических сигналов, что указывает на то, что все они излучаются одним и тем же событием. Это приведет к новым открытиям с несколькими мессенджерами , которые добавятся к известным слияниям нейтронных звезд, обнаруженным в 2017 году как с ГВ, так и со светом. Поскольку в данных скрыто намного больше менее значимых событий, чем высокозначимых, шансы найти редкое событие с несколькими мессенджерами повышаются. Это основная причина для просмотра более слабых сигналов.
Но просмотр данных для слабых GW является сложной задачей, так как есть довольно много шума, и некоторые из них выглядят как сигнал. Этот последний каталог использует множество улучшений в методах данных и анализа данных. Например, при поиске этого обновленного каталога используются данные, которые лучше как с точки зрения точности калибровки, так и с точки зрения вычитания шума. Затем идентификация кандидатов выполняется с помощью трех алгоритмов согласованной фильтрации с использованием данных всех трех детекторов (LIGO Hanford, LIGO Livingston и Virgo), в отличие от GWTC-2, где только один алгоритм анализировал данные из сети из трех детекторов.
GWTC-2.1 включает любое событие-кандидат с FAR ниже 2 в день , что намного выше, чем пороговое значение 2 в год в GWTC-2. Для каждого из них алгоритмы поиска вычисляют вероятность того, что кандидат имеет астрофизическое происхождение ( p astro ) или земное происхождение ( p terr , что означает, что это просто шум). Любое событие-кандидат, которое с большей вероятностью, чем не является реальным астрофизическим событием (это означает, что любой из трех алгоритмов присвоил ему p астро >0,5), отслеживается для лучшего определения его астрофизического происхождения.
В каталоге GWTC-2.1 представлен 1201 кандидат. На самом деле мы ожидаем, что большинство из этих кандидатов, вероятно, будут шумом. Но используя этот каталог GW и данные телескопов, астрономы могут попытаться идентифицировать потенциальные события с несколькими посланниками. Среди 1201 события-кандидата 44 имеют вероятность выше 50% астрофизического происхождения, 36 из которых уже были зарегистрированы в GWTC-2, а 8 являются новыми.
РЕЗЮМЕ 8 САМЫХ МНОГООБЕЩАЮЩИХ НОВЫХ КАНДИДАТОВ
Далее мы обсудим астрофизические свойства 8 новых кандидатов в предположении, что все они являются подлинными сигналами GW, т.е. не вызваны шумовыми флуктуациями. Все новые события-кандидаты согласуются со слияниями бинарных черных дыр (BBH), но одно из них также может быть слиянием нейтронных звезд и черных дыр (NSBH) (например, два обнаружения таких событий, о которых мы недавно объявили , из более позднего O3b). данные). Большинство событий имеют составные компактные объекты с близкими массами ( отношение масс q≈1), но есть несколько исключений. На рис. 2 показаны массовые отношения 8 событий. GW190917_114630 ( p астро =0,77) является потенциальным событием NSBH, и оно хорошо видно в левом нижнем углу рисунка (на этом рисункеслева внизу подразумевается более легкая двойная система с неравными массами).
Два события ЧДД имеют исключительно высокие массы компонентов. В частности, GW190426_190642 ( p астро = 0,75), если он астрофизический, представляет собой двойную систему с общей массой примерно в 185 раз больше массы Солнца и массой остатка примерно в 175 раз больше массы Солнца. BBH, GW190521 , с полной и остаточной массой 164 и 156 масс Солнца соответственно.
Еще один интересный аспект новых событий связан с их спинами (как быстро они вращаются). Во-первых, у большинства новых компактных объектов в этом каталоге спины равны нулю, как и в случае с GWTC-2. Интересно, что GW190403_051519 ( p астро = 0,61) и GW190805_211137 ( p астро = 0,95) имеют более 50% вероятности того, что по крайней мере одна ЧД имеет безразмерный спин χ > 0,8 (χ = 1 — максимальный спин, который может иметь черная дыра). . Однако отдельные спины не так хорошо ограничены сигналом ГВ, как определенная комбинация двух компонентных спинов, так называемый эффективный инспиральный спин χ eff . Предыдущие обнаружения GW показали, что существует избыток слияний с χ eff>0, и эта тенденция продолжается с новыми событиями
АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
Большая часть астрофизики, которую мы можем узнать из сигналов GW, опирается на популяционную статистику обнаружений. Например, такие вопросы, как «сколько существует двойных систем черных дыр?», «каково их распределение массы?» и «как менялась скорость образования черных дыр в космическом времени?», требуют, чтобы мы расширили каталоги ГВ. Этот новый каталог добавляет новые события-кандидаты, которые, добавленные к ранее известному набору, повышают наши шансы ответить на такие вопросы или, по крайней мере, нашу способность делать более точные предположения. Кроме того, он предоставляет ряд кандидатов, которые стоит объединить с данными телескопа для поиска возможных астрономических наблюдений с несколькими мессенджерами.
С другой стороны, отдельные события иногда могут дать интригующие сведения об астрофизике и космологии. Как упоминалось выше, в этом каталоге сообщается о двух кандидатах, которые, если они астрофизические, имеют исключительно большую массу: GW190426_190642 и GW190403_051519. В обоих случаях масса первичного компактного объекта (то есть более массивного из двух объектов в двойной системе) , вероятно, находится в пределах так называемой парной нестабильности .массовый разрыв. Это диапазон масс примерно от 65 до 120 масс Солнца, для которого модели показывают, что черная дыра не может образоваться в результате коллапса обычной звезды в конце ее жизни. Это может указывать либо на другой способ их образования (например, в результате предыдущего слияния другой пары ЧД), либо на необходимость обновления моделей звездной эволюции, чтобы позволить звездам образовывать ЧД с такими большими массами. Стоит отметить, что в каталог GWTC-2 уже был включен сигнал GW (а именно GW190521 ), первичная ЧД которого заселяла тот же «запрещенный» интервал.
ГЛОССАРИЙ
- Прогон наблюдений : период времени, в течение которого детекторы гравитационных волн собирают данные для астрофизических наблюдений.
- Черная дыра : область пространства-времени, созданная чрезвычайно компактной массой, где гравитация настолько сильна, что не позволяет чему-либо, включая свет, покинуть ее.
- Нейтронная звезда : реликт массивной звезды, достигшей конца своей жизни. Когда массивная звезда израсходует свое ядерное топливо, она погибнет катастрофическим образом — взорвется сверхновая, что может привести к образованию нейтронной звезды: объекта настолько массивного и плотного (хотя и не такого сильного, как черная дыра), что атомы не могут поддерживать их структуру, как мы обычно воспринимаем их на Земле. Эти звезды примерно такие же массивные, как наше Солнце, но имеют радиус около десяти километров.
- Компактный объект : чрезвычайно плотный астрофизический объект, такой как черная дыра, белый карлик или нейтронная звезда.
- Двойная черная дыра (BBH) : система, состоящая из двух черных дыр, находящихся на близкой орбите друг вокруг друга.
- Двойная система «Нейтронная звезда-черная дыра» (NSBH) : система, состоящая из одной черной дыры и одной нейтронной звезды на близкой орбите друг вокруг друга.
- Отношение масс : Отношение массы более легкого компактного объекта к массе более тяжелого объекта.
- Частота ложных тревог (FAR) : эта частота измеряет, как часто флуктуации шума детектора могут генерировать сигнал, аналогичный рассматриваемому событию-кандидату. Чем меньше эта частота ложных тревог, тем больше вероятность того, что событие-кандидат будет астрофизическим.
- Эффективное вращение на вдохе : параметр, лучше всего измеряемый, кодирующий информацию о вращении в гравитационно-волновом сигнале. Формально это взвешенная по массе проекция вращения отдельных черных дыр в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой вращаются две черные дыры.
- Расстояние светимости : это расстояние между наблюдателем и астрофизическим объектом, исходя из кажущейся яркости объекта и его фактической светимости (при условии, что она известна).
- Согласованный фильтр : метод обнаружения сигналов, скрытых в зашумленных данных. Шаблоны форм гравитационных волн, рассчитанные на основе общей теории относительности, сканируются по данным и отключаются, когда в данных обнаруживаются совпадающие шаблоны.
- M ☉ (солнечная масса) : масса Солнца (около 2x10 30 кг). Солнечная масса - обычная единица для представления масс в астрономии.
- Масса щебета : математическая комбинация масс для каждого компактного объекта в двоичном файле. Масса щебета диктует увеличение частотной характеристики гравитационного щебета для двойных систем с меньшей массой.