На что похожи типичные черные дыры ? Сколько их там? Менялась ли популяция черных дыр по мере эволюции Вселенной? Что мы можем узнать о формировании двойных черных дыр с помощью гравитационных волн?
Завершен третий сеанс наблюдений обсерваторий LIGO и Virgo , O3a, а вместе с ним и сборка нашего второго каталога наблюдений гравитационных волн ( GWTC-2 ). С новым каталогом мы более чем в четыре раза увеличили количество гравитационно-волновых событий, уверенно идентифицированных в нашем предыдущем каталоге ( GWTC-1 ). И точно так же, как наш первый каталог открыл новые отдельные популяции и поставил новые вопросы об их происхождении по отношению к черным дырам, о которых мы знали из электромагнитных наблюдений, этот каталог поднимает новые вопросы об основной астрофизической популяции и бросает вызов нашим текущим лучшим теориям двойных черных дыр. формирование.
Астрофизические черные дыры описываются двумя свойствами: массой и вращением. Двойные астрофизические черные дыры также характеризуются ориентацией вращения черной дыры по отношению к плоскости двойной системы и расстоянием до нее. С расстоянием мы получаем приближение к космическому времени , когда двойная система слилась, поскольку мы знаем, что гравитационные волны распространяются со скоростью света .
Ученые предложили три возможных сценария образования бинарных черных дыр: «в поле», динамический и первичный. Двойные системы первичных черных дыр состоят из черных дыр, которые никогда не были звездами. Эти черные дыры образовались в результате флуктуаций плотности в первые несколько минут существования Вселенной, сразу после Большого взрыва. Двойные системы в полевых условиях состоят из черных дыр, которые являются последней стадией жизни некоторых звезд, звезд, которые коллапсировали под действием собственной гравитации. Динамические двойные системы состоят из черных дыр, образовавшихся далеко друг от друга и только потом сталкивающихся друг с другом в силу плотной среды. Каждый сценарий связан с различным распределением бинарных параметров — параметров, которые мы можем измерить и которые могут помочь нам различать эти разные типы бинарных файлов. Например, ожидается, что динамические бинарные файлы будут иметь смещенные спины, тогда как в целом бинарные файлы в полевых условиях должны быть выровнены.
Двойные системы, найденные в этом каталоге, расширяют диапазон масс двойных систем черных дыр, найденных в предыдущем каталоге. В нижней части они преодолевают таинственный разрыв в массе между самыми тяжелыми нейтронными звездами и населением черных дыр. На более высоком уровне они выходят за пределы массы , предсказываемой сверхновой с парной нестабильностью . Их спины также заметно отличны от нуля и, по крайней мере, частично выровнены с их общим угловым моментом, намекая на существование динамически формируемой части населения. Эти и другие ключевые открытия в этом каталоге — большие шаги к ответам и даже постановке правильных вопросов о популяции двойных черных дыр, населяющих нашу Вселенную.
КАТАЛОГ ГРАВИТАЦИОННО-ВОЛНОВЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ 2
Данные для O3a, измеренные с помощью детекторов Advanced LIGO и Virgo, были собраны с апреля по октябрь 2019 года. За это время наблюдалось 39 новых слияний: одна двойная нейтронная звезда, 36 уверенных двойных черных дыр и два возможных черных нейтронных звезды. дырочные кандидаты. Включая 11 слияний из GWTC-1 , что составляет 50 обнаруженных событий в GWTC-2, все с частотой ложных срабатываний менее двух в год. Ради чистоты, в этом анализе населения мы выбрали уровень ложной тревоги 1 в год. Это ограничило выборку до 47 кандидатов.
МАССОВОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ
Считается, что большинство черных дыр являются остатками гравитационного коллапса звезды и последующего взрыва сверхновой. Поскольку звезды имеют степенное распределение массы, мы могли бы также ожидать степенного распределения массы черных дыр.
В GWTC-1 базовое распределение массы хорошо соответствовало усеченному степенному закону с индексом от -0,1 до 3,1, начиная с ~ 7,9 M ☉ и заканчивая ~ 42,0 M ☉ . Значение отсечки малой массы было загадочным и плохо ограниченным. Отсечка большой массы была объяснена появлением сверхновой с нестабильностью пар, сверхновой, которая, как считается, возникает, когда очень массивная звезда достигает достаточной плотности, чтобы производить электрон-позитронные пары , вызывая внезапное падение внутреннего давления звезды. Это приводит к коллапсу и взрыву, который стирает звезду, не оставляя следов черной дыры. Считается, что сверхновые с парной нестабильностью предотвращают образование черных дыр с массами от ~ 50 до 150 M ☉ из сверхновых.
С GWTC-2 все вышеперечисленное изменилось. Самая легкая черная дыра меньше, чем считалось возможным (2,3 M☉ или 6M☉ , в зависимости от того, является ли объект с меньшей массой в GW190814 черной дырой или нейтронной звездой), а самая массивная черная дыра больше (85 M☉ ). или 55 M ☉ в зависимости от того, включаем ли мы GW190521 , экстремальное событие, при котором одна из черных дыр имеет массу ∼85 M ☉ ). Предпочтительное распределение теперь представляет собой степенной закон с индексом от 2,00 до 2,73. Вместо резкого среза при больших массах распределение лучше характеризуется дополнительным пиком колоколообразной кривой , установленным где-то между 28,0 и 38,0 M.☉ . Чем можно объяснить такой пик? Звездная среда с высокой плотностью, такая как в ядрах шаровых скоплений , может позволить проходящим черным дырам нарушить гравитационный потенциал двойных черных дыр, сжать двойные системы и увеличить скорость их слияния. Говорят, что такие двоичные файлы сливаются посредством динамических взаимодействий.
Динамические взаимодействия создают особое распределение массы и вращения сливающихся черных дыр. Сохранение импульса способствует тому, что большие массы заканчиваются с меньшими скоростями, а меньшие массы - с большими скоростями, ограничивая объекты с большей массой орбитами ближе к центру скопления. Таким образом, двойные системы с более высокой массой будут находиться в более плотной среде, имея более высокую вероятность динамического взаимодействия и, следовательно, более высокие значения в распределении массы сливающихся черных дыр. Если черные дыры, образовавшиеся в результате динамического слияния, позже сливаются с другой черной дырой (так называемая двойная система второго поколения), можно будет увидеть слияние черных дыр в промежутке нестабильности пар. Другие механизмы формирования, такие как первичные черные дыры, также могут создавать одну или несколько кривых нормального распределения в спектре масс.
В качестве альтернативы, если резкое отсечение, которое, по прогнозам, является признаком парной нестабильности сверхновой, можно было бы сгладить, это скопление двойных систем с большой массой можно было бы объяснить без необходимости динамических взаимодействий.
Различные сценарии формирования учитывались путем добавления кривой нормального распределения поверх нашего базового распределения по степенному закону. Если должно было присутствовать более одного поколения, мы моделировали это, добавляя дополнительные кривые нормального распределения при более высоких массах.
Наконец, в то время как каждая двойная система GWTC-1 имела очень похожие массы компонентов (отношения масс близки к 1), GWTC-2 имеет два события, GW190814 и GW190412 , с отношениями масс, однозначно отличными от 1. Будучи выбросом как по минимальной массе компонентов, так и по массе отношение GW190814, по-видимому, указывает на новую популяцию.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ
Гравитационные волны удобно параметризовать двумя феноменологическими параметрами: эффективным прецессирующим спином и эффективным спином. Эффективный прецессирующий спин описывает вызванную вращением прецессию орбитальной плоскости , в то время как эффективный спин описывает, как слияние ускоряется или замедляется из-за вращения черной дыры, выровненного с угловым моментом .
Считается, что двойные черные дыры, образовавшиеся в этом поле, содержат компоненты с почти выровненными спинами, в то время как ожидается, что динамически слитые двойные системы будут смещены. В результате ожидается, что динамические слияния будут подвергаться прецессии, и около половины из них должны иметь анти направленные спины.
В то время как кандидаты в двойные черные дыры в GWTC-1 не дали никаких доказательств этой релятивистской прецессии спина, мы видим признаки прецессии в GWTC-2. Кроме того, каталог показывает, что в целом предпочтение отдается небольшим спинам, выровненным с орбитальным угловым моментом, от 2% до 50% двойных черных дыр имеют анти направленные спины (даже если исключить GW190814, наш самый большой выброс во всех категориях).
Ожидается, что бинарные черные дыры, образовавшиеся из продуктов слияния, унаследуют большую часть своего вращения от орбитального углового момента двойных систем-предшественников. Следовательно, обнаружение дымящегося пистолета для динамического формирования будет идентификацией различных распределений спинов в различных компонентах массы. Однако мы не находим доказательств существования такой популяции.
ОЦЕНИТЕ ЭВОЛЮЦИЮ С КРАСНЫМ СМЕЩЕНИЕМ
Считается, что Вселенная расширяется однородно , и это происходит с момента Большого взрыва. Это расширение растягивает все внутри себя, включая электромагнитные и гравитационные волны. Когда волна растягивается, ее частота меняется. Для видимого света это означает переход от синего к красному, то есть «красное смещение» . Чем дальше объект, тем больше расширение и больше красное смещение. Следовательно, красное смещение является еще одной мерой расстояния, а поскольку скорость света и гравитационных волн фиксирована, также и времени. Чем больше красное смещение нашего сливающегося бинарного, тем он старше.
Измерение эволюции красного смещения скорости слияния двойных черных дыр и сравнение ее со скоростью звездообразования позволяет нам лучше понять, как формируются компактные двойные системы. Если бы мы построили куб со стороной, в 1000 раз превышающей расстояние до галактики Андромеды , мы обнаружили бы, что каждый год в таком кубе происходит около 11 бинарных слияний. Эта скорость согласуется как с распределением двойных звезд, которое не эволюционировало за космическое время, так и с распределением, которое локально отслеживает скорость звездообразования. Мы также находим, учитывая более длительное время наблюдения и только одно новое обнаружение, что количество слияний двойных нейтронных звезд в кубе того же размера будет 151, число меньше, чем в GWTC-1.
БУДУЩИЕ ВОПРОСЫ
В то время как проясняется картина свойств населения компактных двойных систем, остаются ключевые вопросы: как нам лучше всего охарактеризовать отклонения от степенного закона в спектре масс первичной черной дыры и каково физическое происхождение этих новых особенностей? Каково происхождение слияний двойных черных дыр в промежутке большой массы: иерархические слияния, звезды, производящие остатки более тяжелые, чем ожидалось из теории парной нестабильности сверхновых, или что-то еще? Указывает ли наблюдение анти направленных спинов на динамические слияния? Эта гипотеза может быть подтверждена наблюдениями за эксцентричными двойными звездами, которые также ожидаются от динамических слияний.
ГЛОССАРИЙ
- Вращение : скорость и направление вращения (то есть угловой момент) черной дыры вокруг ее центра масс.
- Взрыв сверхновой : яркий и кратковременный звездный взрыв, происходящий на последних стадиях эволюции массивной звезды.
- Распределение масс по степенному закону : вероятность существования черной дыры с заданной массой эквивалентна массе в некоторой степени: p(m) ∝ m α , где α — наклон степенного закона (т. е. насколько круто изменяется вероятность при изменении увеличение массы).
- Солнечная масса M ☉ : масса Солнца. Солнечная масса - обычная единица для представления масс в астрономии.
