ЧТО МЫ ОБНАРУЖИЛИ?
5 января 2020 года детектор Advanced LIGO в Ливингстоне , штат Луизиана, США, и детектор Advanced Virgo в Италии наблюдали гравитационные волны, соответствующие совершенно новому типу астрономической системы. Гравитационные волны были созданы спиралью смерти двух самых экстремальных объектов во Вселенной: нейтронной звезды и черной дыры . LIGO и Virgo наблюдали несколько последних затухающих орбит ( инспиральная), после чего произошло слияние нейтронной звезды с черной дырой. Примечательно, что всего через десять дней второй сигнал гравитационных волн от спирали и слияния нейтронной звезды с черной дырой наблюдался, на этот раз как детекторами Advanced LIGO (в Ливингстоне, а также в Хэнфорде , штат Вашингтон), так и детектором Virgo. . Это первый случай наблюдения гравитационных волн от смеси нейтронных звезд и черных дыр . До этого нового открытия гравитационные волны наблюдались в результате слияния пар черных дыр и пар нейтронных звезд. Наши новые открытия получили названия GW200105 и GW200115 .
Эти два открытия представляют собой первые обнаружения систем нейтронных звезд и черных дыр (NSBH). В течение нескольких десятилетий предсказывалось существование систем NSBH, но до сих пор не было убедительных данных наблюдений. Благодаря наблюдению NSBH мы увидели все три типа двойных систем, которые могут образоваться из черных дыр и нейтронных звезд. Системы, состоящие из черных дыр и нейтронных звезд, известны как « компактные двойные ». Эти новые открытия вместе с будущими наблюдениями компактных двойных звезд прольют свет на рождение, жизнь и смерть звезд, а также на то, в какой среде они формируются.
ОБНАРУЖЕНИЕ СИГНАЛОВ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН
Для поиска сигналов гравитационных волн в данных, регистрируемых детекторами, используется « согласованная фильтрация ». Это сравнивает наблюдаемые зашумленные данные с предсказаниями сигналов из общей теории относительности Эйнштейна .. Согласованная фильтрация может выделять сигналы гравитационных волн из зашумленных данных так же, как мы различаем отдельные инструменты в музыкальном произведении. Мы считаем, что GW200115 является сигналом астрофизической гравитационной волны с очень высокой достоверностью, с вероятностью возникновения из-за случайного шума менее одного раза в 100 000 лет. Астрофизическую природу GW200105 сложнее установить статистически, но она также явно стоит особняком от всех шумовых эффектов, которые мы когда-либо видели, и мы считаем, что такой сигнал может возникать из-за шума реже, чем раз в 2,8 года.
Слияния NSBH могут, в принципе, производить свет во всем электромагнитном спектре . К сожалению, направление источников в небе можно было измерить очень неточно, до участка неба, в 2400-29000 раз превышающего размер полной Луны. Вместе с большим расстоянием до источника (более подробно обсуждаемым ниже) это делало наблюдение электромагнитного света маловероятным, и его не наблюдалось. Будущие наблюдения за слияниями NSBH могут дать наблюдаемый свет, который может показать, что черная дыра «приливно разрушает» (разрывает) нейтронную звезду. Это может дать информацию об экстремальной форме материи, из которой состоят нейтронные звезды.
СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ
Гравитационные волны содержат богатую информацию об их происхождении, например, массы компактных двойных звезд. Черная дыра и нейтронная звезда, создавшие GW200105 , примерно в 8,9 и 1,9 раза массивнее нашего Солнца ( M☉ ) соответственно. Событие GW200105 произошло около 900 миллионов лет назад, за сотни миллионов лет до того, как на Земле появились первые динозавры. Для события GW200115, по нашим оценкам, черная дыра и нейтронная звезда имели массы около 5,7 M ☉ и 1,5 M ☉ .соответственно, а их слияние произошло почти 1 миллиард лет назад. Мы обнаружили, что скорость вращения черной дыры для GW200105 может находиться в диапазоне от 0 до 30 % от максимальной скорости вращения черных дыр, а для GW200115 скорость вращения составляет от 0 до 80 % от максимальной скорости вращения. оценивать. У нас нет убедительных доказательств вращения нейтронной звезды, потому что наши измерения не чувствительны к нему
Почему мы думаем, что наблюдали NSBH? Чтобы создавать наблюдаемые гравитационные волны, объекты должны быть очень компактными и плотными по сравнению с типичными звездами, иначе они распадутся на части до того, как сольются. Массы более тяжелых объектов в каждой двойной системе составляют 8,9 M ☉ и 5,7 M ☉ , поэтому единственными известными объектами, которыми они могут быть, являются черные дыры. Массы более легких объектов составляют около 1,9 M ☉ и 1,5 M ☉ , что намного легче любой известной черной дыры. Эти массы согласуются с известными нейтронными звездами, такими как наблюдаемые в Млечном Пути, или с гравитационными волнами (например, GW170817 ). Массы черных дыр согласуются с предсказаниями моделей звездообразования и эволюции.
КАК ОНИ ОБРАЗОВАЛИСЬ И КАК ЧАСТО ЭТО ПРОИСХОДИТ?
Итак, как сформировались эти системы NSBH? Есть две основные возможности. Один из них начинается с двух звезд, которые уже вращаются вокруг друг друга. Звезды обладают такой массой, что когда они стареют, они в конечном итоге взрываются взрывами сверхновых, одна звезда оставляет после себя черную дыру, а другая — нейтронную звезду. Это называется «изолированной бинарной эволюцией». Другая возможность состоит в том, что нейтронная звезда и черные дыры образуются из отдельных звезд в результате несвязанных друг с другом взрывов сверхновых и только потом находят друг друга. Это называется «динамическим взаимодействием» и может происходить в плотных звездных средах, таких как шаровые скопления .. Чтобы различить эти две возможности, ориентация спина черных дыр дает сильный намек. В изолированной двойной эволюции направления вращения черных дыр имеют тенденцию совпадать с их двойной орбитой, т. е. мы ожидаем, что нейтронная звезда будет вращаться в экваториальной плоскости черной дыры. Напротив, сценарий динамического взаимодействия не предпочитает конкретное направление вращения, поэтому орбита нейтронной звезды может иметь любую ориентацию относительно экваториальной плоскости черной дыры.
Предполагаемый спин черной дыры GW200105 не позволяет нам различить ни один из этих сценариев формирования. Однако для GW200115 мы обнаруживаем, что направление вращения черной дыры, вероятно, противоположно направлению двойной орбиты. Например, если нейтронная звезда вращается вокруг черной дыры по часовой стрелке, то черная дыра будет вращаться вокруг своей оси против часовой стрелки. Это намекает на то, что источник GW200115 мог образоваться в плотной среде, такой как шаровое скопление.
Сколько НСЧД во Вселенной сливаются за данный период времени? Наблюдение за двумя системами NSBH говорит нам, что от 5 до 15 таких систем сливаются в год на расстоянии одного миллиарда световых лет . Кроме того, эту предполагаемую скорость слияния можно было бы объяснить изолированной двойной эволюцией или динамическим взаимодействием только в молодых звездных скоплениях, но мы не можем выделить конкретный сценарий.
ГЛОССАРИЙ
- Вдох : Орбитальное движение объектов в двойной системе, такой как двойная нейтронная звезда-черная дыра. По мере того, как бинарная система теряет энергию, излучая гравитационные волны, нейтронная звезда и черная дыра вращаются все быстрее и быстрее и сближаются все ближе, пока, наконец, не сольются.
- Нейтронная звезда : реликт массивной звезды, достигшей конца своей жизни. Когда массивная звезда исчерпает свое ядерное топливо, она умирает катастрофически — вспыхивает сверхновая, что часто приводит к образованию нейтронной звезды: объекта настолько массивного и плотного, что атомы не могут поддерживать свою структуру, как мы обычно воспринимаем их на Земле. . Эти звезды примерно такие же массивные, как наше Солнце, но имеют диаметр всего несколько десятков километров.
- Черная дыра : область пространства-времени с настолько сильной гравитацией, что она не позволяет чему-либо, включая свет, выйти наружу. ( Википедия ) Черные дыры бывают разных размеров: черные дыры звездной массы возникают в результате звездных коллапсов, а их массы варьируются от нескольких масс Солнца до примерно 65 масс Солнца. ( Википедия ) Черные дыры промежуточной массы имеют массу от 100 до 10 5 масс Солнца. ( Википедия ) Наконец, сверхмассивные черные дыры имеют массу от более чем 10 5 масс Солнца до более чем 10 9 масс Солнца. ( Википедия )
- Компактная двойная система: Система, состоящая из двух компактных звездных остатков, например, нейтронных звезд или черных дыр, вращающихся очень близко друг к другу.
- Согласованная фильтрация : 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.
- Общая теория относительности : теория гравитации, предложенная Альбертом Эйнштейном в 1915 году. В этой теории пространство и время подобны податливой ткани, которая деформируется в присутствии материи и энергии, и объекты следуют траекториям в этом искривленном пространстве.
- Шаровое скопление : очень плотная группа звезд, связанных гравитацией.
- Электромагнитный спектр : видимый свет простирается от красного до фиолетового, но за пределами диапазона, который могут видеть наши глаза, этот спектр продолжается. За красным светом есть инфракрасный, микроволны и радиоволны, а за фиолетовым — ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Это спектр электромагнитного излучения, и астрономы используют каждую часть спектра, чтобы больше узнать о Вселенной. Все электромагнитное излучение принимает форму ряби электрического и магнитного полей и различается по своей частоте или длине волны (длине ряби).
- Световой год : Единица расстояния, эквивалентная расстоянию, которое свет проходит за один год. Световой год примерно равен 9,46 трлн километров (или примерно 5,88 трлн миль).
- M ☉ (солнечная масса) : масса Солнца (около 2x10 30 кг). Солнечная масса - обычная единица для представления масс в астрономии.
