Представьте себе увеличительное стекло размером с галактику и то, что оно сделает со светом или гравитационными волнами, путешествующими по космосу. Благодаря явлению «гравитационного линзирования» массивные астрофизические объекты могут выступать в роли таких гигантских линз. В этом исследовании мы искали сигнатуры линзирования в сигналах гравитационных волн, обнаруженных в первой половине третьего цикла наблюдений LIGO-Virgo, для краткости называемого O3a.
ГРАВИТАЦИОННОЕ ЛИНЗИРОВАНИЕ — ПРЕДСКАЗАНИЕ ЭЙНШТЕЙНА И ЕГО БОГАТЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ В АСТРОНОМИИ
Общая теория относительности постулирует, что массивные астрономические объекты искривляют пространство и время вблизи себя, искривляя пути света. Другими словами, они действуют как гравитационные линзы. Такое линзирование может увеличивать удаленные объекты, разделять их на несколько изображений или деформировать их в длинные дуги или « кольца Эйнштейна». Наблюдения гравитационного линзирования широко распространены в астрономии в электромагнитном спектре . Исторически линзирование предоставило нам первую проверку теории Эйнштейна во время солнечного затмения 1919 года . Совсем недавно наблюдения слабого линзирования использовались для картографирования распределения массы во Вселенной, что сделало убедительные доводы в пользу темной материи. Линзирование также позволяет астрономам изучать экзопланеты , которые вызывают периодические изменения яркости их звезды, когда они движутся перед ней. Кроме того, линзирование позволяет нам обнаруживать массивные объекты и структуры в космосе, которые в противном случае были бы слишком слабыми для обнаружения. Безусловно, гравитационное линзирование стало стандартным инструментом в астрономии, астрофизике и космологии.
ЧТО ГРАВИТАЦИОННОЕ ЛИНЗИРОВАНИЕ МОЖЕТ СДЕЛАТЬ С ГРАВИТАЦИОННЫМИ ВОЛНАМИ?
Подобно электромагнитным волнам, гравитационные волны могут быть гравитационно-линзированы находящимися между ними объектами, такими как звезды, черные дыры , галактики и скопления галактик. Однако, хотя теория линзирования гравитационных волн аналогична теории линзирования света, методы ее обнаружения совершенно разные из-за принципиально разных источников и детекторов. В частности, мы можем обнаружить линзовое увеличение как общее усиление волн. Это увеличение вызовет сигналы бинарного слияния.казаться исходящими из более близких и более массивных источников, чем они есть на самом деле. Несколько изображений будут отображаться как «повторяющиеся» события: почти идентичные события, появляющиеся с интервалом от нескольких минут до месяцев (а иногда и лет). Поскольку линза, как правило, производит разделение изображения, которое слишком мало, чтобы его можно было разрешить с помощью современных детекторов, кажется, что события происходят из одного и того же места на небе. С другой стороны, микролинзирование приводит к крошечным временным задержкам линзирования, что может привести к перекрытию сигналов с несколькими линзами на детекторах и формированию «паттернов биений» сигналов.
ЧТО МЫ МОЖЕМ УЗНАТЬ ИЗ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛИНЗИРОВАННЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН?
После того, как линзированные гравитационные волны будут идентифицированы, они могут дать начало нескольким захватывающим научным исследованиям. Когда система линз достаточно уникальна, можно обнаружить сливающиеся черные дыры, невидимые для обычных телескопов, путем объединения исследований гравитационно-волнового и электромагнитного линзирования. Когда электромагнитный аналог сопровождает линзированные волны, точные космологические исследования могут стать возможными благодаря субмиллисекундным измерениям гравитационных волн с временной задержкой линзирования. Сравнивая временные задержки между линзированными гравитационными волнами и их преходящими электромагнитными аналогами, можно было измерить скорость гравитации относительно света. Поскольку линзированные гравитационные волны позволяют нам наблюдать одно и то же событие несколько раз при разных ориентациях детектора, они также могут исследовать полную поляризацию .волн, проверяя общую теорию относительности и альтернативные теории. С другой стороны, микролинзирование может помочь в изучении популяций таких объектов, как первичные черные дыры и черные дыры средней массы. После наблюдения линзированные гравитационные волны позволят провести новые научные исследования в области фундаментальной физики, астрофизики и космологии.
ЧТО МЫ ИСКАЛИ В ДАННЫХ O3A И ЧТО НАШЛИ
В текущем исследовании мы искали сигнатуры линзирования в сигналах гравитационных волн от компактных двойных систем , обнаруженных Advanced LIGO и Advanced Virgo во время наблюдения O3a. Мы предсказали, как часто происходит линзирование при текущей чувствительности детектора, и определили, как даже отсутствие обнаруживаемых сильных эффектов линзирования уже ограничивает скорость слияния компактных двойных объектов в далекой Вселенной. Мы также продемонстрировали, как отсутствие наблюдаемого стохастического фона гравитационных волн улучшает наши знания о скорости линзирования. Кроме того, мы изучили идею о том, что линзовое увеличение может помочь объяснить исключительно большие массы, которые мы наблюдаем в некоторых из обнаруженных нами событий (например , GW190425 или GW190521 ). Мы также искали изображения с несколькими линзами в данных детектора, сравнивая вероятность того, что любая данная пара сигналов будет либо линзованными копиями из одного и того же источника, либо произведена несвязанными источниками. Мы нашли несколько пар-кандидатов, которые очень похожи друг на друга, точно так же, как линзированные изображения одного источника, но, в конце концов, не нашли подтверждения тому, что они действительно линзированы, после того как мы рассмотрели более реалистичные предположения о популяция исходных систем, эффекты отбора наших поисков и ожидаемой скорости линзирования при текущей чувствительности. Наконец, мы провели поиск характерного эффекта микролинзирования в виде «картины биений» на формы волны обнаруженных событий, но не нашли доказательств этого в 36 протестированных событиях. Таким образом, наше всестороннее исследование гравитационно-волнового увеличения, множественных изображений и сигнатур микролинзирования на данных O3a не обнаружило убедительных доказательств гравитационного линзирования.
ПЕРСПЕКТИВЫ БУДУЩЕГО
В будущем можно будет глубже изучить эффекты линзирования гравитационных волн с помощью более чувствительных методов анализа и более детального моделирования линз. Последующие электромагнитные наблюдения кандидатов на линзирование, даже если они недостаточно значимы на основе одних только данных гравитационных волн, также могут быть многообещающими для идентификации возможных родительских галактик и линз. Дальнейшая модернизация детекторов текущего поколения и расширение глобальной сети будут продолжать повышать шансы обнаружения четких сигнатур линз. Как только детекторы третьего поколения и космические детекторы (например, телескоп Эйнштейна , космический исследователь и LISA ) появятся в сети в 2030-х годах, многие другие захватывающие возможности станут возможными.
ГЛОССАРИЙ
- Черная дыра : массивный плотный объект, чье гравитационное притяжение настолько сильно, что свет не может покинуть его.
- Компактная бинарная система: система из двух остатков звезд, например, нейтронной звезды и черной дыры, вращающихся очень близко друг к другу.
- Далекая вселенная : из-за конечной скорости света, чем дальше мы смотрим в далекую вселенную, тем дальше мы оглядываемся назад во времени. Следовательно, двойные слияния, обнаруженные с больших расстояний, на самом деле произошли, когда Вселенная была намного моложе, чем сегодня, и поэтому мы ограничиваем другую эпоху ее истории, чем более локальными наблюдениями. Поскольку Вселенная расширяется , большие расстояния также соответствуют более высоким красным смещениям наблюдаемых длин волн сигналов.
- Общая теория относительности : принятая в настоящее время теория гравитации, впервые описанная Альбертом Эйнштейном в 1915 году. В этой теории гравитация является результатом искривления пространства-времени, вызванного концентрацией массы или энергии. Он предсказал как гравитационные волны, так и гравитационное линзирование.
- Гига парсек : астрономическая единица расстояния, соответствующая самым большим космологическим расстояниям, равным одному миллиарду парсеков . Один гига парсек (часто сокращенно Гпк) соответствует примерно трем миллиардам световых лет или 3x10 22 км.
- Шаблон формы гравитационной волны : предсказанная модель того, как возмущение, вызванное гравитационной волной, изменяется со временем.
- Поляризация гравитационных волн : геометрическая форма растяжения и сжатия пространства-времени, вызванного гравитационной волной при ее движении. Общая теория относительности предсказывает только один конкретный тип, так называемую тензорную поляризацию, в то время как некоторые альтернативные теории гравитации также предсказывают дополнительные поляризации.
- Красное смещение : растяжение длины волны света или гравитационных волн, проходящих через расширяющуюся Вселенную.
- Эффекты отбора : детекторы гравитационных волн с большей вероятностью улавливают события с определенными внутренними свойствами (например, в правильном диапазоне масс) и в определенных областях неба. Это приводит к обнаружению большего количества пар похожих событий, чем можно было ожидать вначале.
- Spin : Величина, которая измеряет, насколько быстро объект вращается вокруг себя.
