Представлен обновленный каталог (GWTC-2 или «Каталог переходных процессов гравитационных волн 2») регистрации гравитационных волн LIGO и Virgo с самого первого наблюдения в 2015 году до конца O3a, первой половины третьего периода наблюдений. . O3a работал с 1 апреля по 1 октября 2019 года и добавил 39 событий гравитационных волн к 11 подтвержденным событиям, перечисленным в GWTC-1 , в результате чего общее количество событий в GWTC-2 достигло 50. Открытия O3a охватывают широкий диапазон астрофизических параметров и представляют собой источники, согласующиеся со слияниями двойных черных дыр (BBH), двойных нейтронных звезд (BNS) и двойных нейтронных звезд с черными дырами (NSBH).
Примечательно, что O3a произвел примерно в три раза больше надежно зарегистрированных гравитационно-волновых событий, чем два предыдущих периода наблюдений (O1 и O2) вместе взятые. Кроме того, детектор Virgo смог присоединиться к двум детекторам LIGO на протяжении всего O3a, при этом по крайней мере один детектор наблюдал примерно 97% времени, а по крайней мере два - примерно 82% времени. Некоторые особенно интересные события O3a включают в себя второе в истории наблюдение гравитационных волн, согласующееся со слиянием двойных нейтронных звезд, первые события с однозначно неравными массами и очень массивную двойную черную дыру с общей массой примерно в 150 раз больше массы Солнца. В этом резюме мы описываем улучшения в LIGO и Virgo, которые сделали это возможным, а также значение этих событий для области астрофизики.
ОБНАРУЖЕНИЕ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН
39 открытий O3a являются результатом модернизации обсерваторий LIGO и Virgo, повышения качества данных и различных поисков гравитационных волн. Недавние улучшения в инструментах для снижения шума и повышения чувствительности включают более мощные лазеры, новые и улучшенные зеркала и лучший контроль рассеянного света. Эти изменения привели к увеличению диапазона частот и расстояний для всех трех детекторов, расширив наше представление о Вселенной. В среднем между тремя детекторами средний диапазон, в котором мы можем наблюдать типичное слияние нейтронных звезд, увеличился примерно на 63% от O2 до O3a.
Еще одним важным шагом к открытию источников гравитационных волн является уточнение необработанных данных с детекторов. Этот процесс обработки данных включает в себя калибровку данных, вычитание шума и удаление сбоев. Во-первых, мы калибруем необработанные изменения оптической мощности от каждого детектора в безразмерную деформацию почти в реальном времени для первоначальных обнаружений. Позже мы перекалибруем данные, чтобы уменьшить систематическую ошибку, и вычтем шум, чтобы еще больше увеличить диапазон, в котором мы можем обнаруживать источники гравитационных волн, обнаруживая более слабые сигналы в данных.
При анализе данных гравитационных волн наиболее распространенной проблемой качества данных, с которой мы сталкиваемся, являются сбои. Глитчи представляют собой кратковременные переходные процессы шума, некоторые из которых имеют такие источники, как механический затвор камеры или рассеяние света от лазерного луча. Однако другие сбои имеют более загадочное происхождение, например кратковременные сбои широкополосного доступа, называемые вспышками. Один из способов, которым мы идентифицируем и классифицируем сбои в данных LIGO и Virgo, — это использование платформы Gravity Spy с помощью тысяч гражданских ученых (узнайте, как вы можете помочь нам выявить сбои с помощью Gravity Spy ). После того, как мы идентифицируем значительные сбои в данных, мы применяем вычитание сбоев, чтобы удалить их из кандидатов гравитационных волн. Восемь из 39 событий, которые мы наблюдали в O3a, выиграли от вычитания сбоев в качестве шага предварительной обработки перед анализом оценки параметров.
При поиске гравитационных волн идентификация кандидатов происходит в двух временных масштабах. Во-первых, несколько конвейеров поиска обрабатывают данные немедленно, чтобы за считанные минуты генерировать общедоступные оповещения об обнаружении . Позже мы повторно анализируем данные о гравитационных волнах, чтобы составить список кандидатов в этом каталоге, используя обновленную калибровку данных, оценку качества данных и улучшенные методы расчета статистической значимости. При принятии решения о том, какие кандидаты будут исключены, мы устанавливаем порог частоты ложных срабатываний, равный двум в год, что является частотой, при которой мы ожидаем, что этот тип кандидатов будет появляться случайно из-за шума. Из 39 событий в O3a о 26 ранее сообщалось в оповещениях об обнаружении в режиме, близком к реальному времени, а о 13 сообщается в GWTC-2 впервые.
В GWTC-2 мы ввели пересмотренное соглашение об именах для зарегистрированных нами гравитационно-волновых событий. Старое соглашение использовать только дату наблюдения сохраняется для ранее опубликованных событий, включая самые последние GW190412, GW190425, GW190521 и GW190814. Но к названию новых событий GWTC-2 добавляется время UTC их обнаружения; например, GW190701_203306 был обнаружен в 20:33:06 UTC 1 июля 2019 года. Таким образом, мы можем иметь уникальные имена даже для двух событий, обнаруженных в один и тот же день, как это произошло трижды в O3a.
ИЗМЕРЕНИЕ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Мы исследуем астрофизическую природу каждого события с помощью процесса, называемого оценкой параметров, который выявляет значения многочисленных астрофизических свойств, уникальных для каждого события гравитационных волн. Мы измеряем внешние параметры , которые описывают отношения двойной системы с нами здесь, на Земле, такие как расстояние до источника, местоположение источника в небе и ориентация двойной системы с точки зрения наблюдателя на Земле. Кроме того, мы измеряем внутренние параметры , которые относятся к таким свойствам, как масса и вращение каждого компактного объекта в бинарной системе. По параметрам события мы вычисляем гравитационные волны которые представляют собой ожидаемую деформацию гравитационных волн с течением времени. Затем мы сравниваем этот прогноз с данными, измеренными в LIGO и Virgo, с учетом любого шума, присутствующего в детекторах. С помощью этих методов оценки параметров мы получаем 90% достоверных интервалов , которые представляют собой диапазон значений, разумно согласующихся с данными.
Наши 39 событий охватывают широкий диапазон масс, кодируя огромное количество информации об истории и формировании черных дыр и нейтронных звезд по всей Вселенной. Сигнал гравитационных волн, генерируемый задолго до слияния, в основном зависит от особой комбинации индивидуальных масс компонентов, называемой массой чирпа . Другие важные параметры массы включают полную массу каждой двойной системы (сумма масс компактных объектов) и отношение масс , которое представляет собой отношение более легкого компактного объекта к более тяжелому.
ИСКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ОТКРЫТИЯ O3A
Разнообразие масс в GWTC-2, начиная от нейтронных звезд с массой около 1,4 массы Солнца и заканчивая черной дырой с массой около 150 масс Солнца. Далее показаны следующие восемь событий, четыре из которых описаны в отдельных публикациях:
- GW190412 : первая ЧД с окончательно асимметричными массами компонентов, что также свидетельствует о наличии высших гармоник .
- GW190425 : второе гравитационно-волновое событие, согласующееся с BNS, после GW170817.
- GW190426_152155: событие малой массы, соответствующее либо NSBH, либо BBH.
- GW190514_065416: BBH с наименьшим эффективным выровненным вращением из всех событий O3a.
- GW190517_055101: BBH с самым большим эффективным выровненным вращением из всех событий O3a.
- GW190521 : ЧД с общей массой более чем в 150 раз больше массы Солнца.
- GW190814 : сильно асимметричная система неоднозначной природы, соответствующая слиянию черной дыры массой 23 солнечных с компактным объектом массой 2,6 солнечной, что делает последний либо самой легкой черной дырой, либо самой тяжелой нейтронной звездой, наблюдаемой в компактной двойной системе.
- GW190924_021846: вероятно, ЧД с наименьшей массой, обе черные дыры превышают 3 массы Солнца.
Кроме того, GWTC-2 включает в себя события, охватывающие так называемый «разрыв более низкой массы» между 2,5 и 5 массами Солнца. В течение многих лет астрофизики предполагали существование этого меньшего разрыва масс из-за нехватки наблюдений в этом диапазоне масс. Однако O3a создал потенциальные объекты с массовым зазором, такие как более легкие спутники GW190814 и GW190924_021846.
GW190521 содержит наибольшую общую массу O3a и почти вдвое превышает массу GW170729, самого тяжелого BBH в GWTC-1 . Кроме того, GW190521, скорее всего, включает в себя самую тяжелую индивидуальную черную дыру, обнаруженную на сегодняшний день с помощью гравитационных волн, с массой более 90 масс Солнца. Несколько других событий могут иметь общую массу более 100 масс Солнца, включая GW190519_153544, GW190602_175927 и GW190706_222641.
GWTC-2 представляет объекты с более асимметричными массами, чем любой источник, представленный в GWTC-1, такие как GW190412 и GW190814, которые возникли в результате слияния черной дыры с более легким компаньоном. Асимметричные слияния усиливают тон более высоких гармоник, как показано при обнаружении GW190412 . Этот обновленный каталог включает в себя несколько других уникальных достижений гравитационно-волновой астрономии. O3a включает в себя самое отдаленное событие, обнаруженное на сегодняшний день, а также девять событий, локализованных менее чем на 1% от общей площади неба.
Спины могут еще больше раскрыть историю эволюции компактных двоичных объектов. Спины связаны с угловым моментом данного компактного объекта и варьируются от невращающихся до максимально вращающихся. Обычно мы измеряем вращение в параметре, называемом «эффективное выровненное вращение», которое относится к конкретной комбинации вращений каждого компактного объекта до их слияния. Отрицательный эффективный выровненный спин указывает на смещение спинов, намекая на то, что бинарная система могла образоваться в плотной среде, такой как шаровое скопление . GW190517_055101, вероятно, имеет самый большой эффективный выровненный спин. В GWTC-2 не обнаружено достоверно отрицательных значений, хотя GW190514_065416, вероятно, имеет наименьший эффективный выровненный спин. Кроме того, спины могут свидетельствовать о бинарной прецессии ; GWTC-2 содержит события, которые могут подтверждать слабые доказательства прецессии, такие как GW190412 и GW190521.
СВЕТЛОЕ БУДУЩЕЕ ГРАВИТАЦИОННО-ВОЛНОВОЙ АСТРОНОМИИ
Каким бы сюрреалистичным это ни казалось, обнаружение гравитационных волн теперь стало обычным явлением, всего через пять лет после первого обнаружения в сентябре 2015 года. Имея теперь 50 обнаружений гравитационных волн, мы можем лучше исследовать популяцию черных дыр и нейтронных звезд по всему миру. вселенной. Дополнительные обнаружения гравитационных волн также улучшают наше понимание Общей теории относительности.
Будущее гравитационно-волновой астрономии становится все более многообещающим после добавления 39 событий первых шести месяцев периода наблюдений O3. Анализ второй части O3 (называемой O3b) в настоящее время продолжается и будет способствовать дальнейшему расширению нашего растущего каталога переходных процессов гравитационных волн. После O3 детекторы будут подвергнуты дополнительным инженерным усовершенствованиям, чтобы еще больше увеличить астрофизическую досягаемость к четвертому запуску наблюдений. Пока мы ждем инструментальных усовершенствований и создания новых детекторов, сообщество гравитационных волн будет продолжать исследовать природу черных дыр и нейтронных звезд по всей Вселенной.
ГЛОССАРИЙ
- Масса щебета: математическая комбинация масс для каждого компактного объекта в бинарной системе. Масса чирпа диктует увеличение частотной характеристики гравитационного чирпа для двойных систем с меньшей массой.
- Компактный объект: чрезвычайно плотный астрофизический объект, такой как черная дыра, белый карлик или нейтронная звезда.
- Гравитационная волна: представление эволюции сигнала гравитационной волны во времени.
- Отношение масс: отношение массы более легкого компактного объекта к массе более тяжелого объекта.
- Медиана: значение точно посередине распределения, так что половина других значений лежит выше, а половина ниже медианы.
- Оценка параметров: статистические методы, используемые для определения астрофизических параметров, соответствующих сигналу гравитационной волны.
- Солнечная масса: масса Солнца. Солнечная масса - обычная единица для представления масс в астрономии.
- Деформация: изменение длины плеча детектора из-за деформации пространства-времени под действием гравитационных волн, проходящих через каждый детектор, деленное на общую длину плеча.