LIGO detekuje fúzi třetí černé díry

Vědci s observatořem gravitačních vln oznamují další objev, tentokrát sloučení černé díry dvakrát tak daleko jako předchozí detekce.

Tento obrázek ukazuje dvě černé díry, které se chystají sloučit, podobné těm, které zjistil LIGO. Na tomto obrázku se černé díry točí na osách, které jsou nakloněny vzhledem k jejich orbitální rovině.
LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (Aurore Simonnet)

To, co bylo kdysi trubkovým snem, se stává starým kloboukem. Vědci s gravitačním vlnovým observatořem laserového interferonu (LIGO) oznámili objev dalšího sloučení černé díry, které bylo odhaleno, když gravitační vlny, které byly vytvořeny kosmickou konsolidací, změnily délku obou zbraní LIGO přibližně o jednu tisícina šířky protonu.

Gravitační vlny jsou vlnky ve struktuře časoprostoru, vytvořené zrychlujícími se hmotami. Spolu s černými dírami, gravitačními čočkami a dalšími zábavnými jevy jsou predikcí Einsteinovy ​​mistrovské vize gravitace, obecné teorie relativity.

Nově ohlášená událost, nazvaná GW170104, stiskla a natáhla 4. ledna dlouhé zbraně LIGO 4. ledna během druhého pozorovacího běhu observatoře. Větší ze dvou černých děr měla hmotnost 25 až 40krát větší než hmotnost Slunce; menší, mezi 13 a 25 slunci. Výsledná černá díra má hmotnost asi 50 solárních hmot a několik solárních hmot je odneseno jako gravitační záření.

Na základě toho, jak „hlasitý“ byl signál, dospěli vědci k závěru, že ke sloučení došlo zhruba 3 miliardy světelných let daleko, někde v dlouhé, hubené oblasti na obloze, která se rozprostírala zhruba 1200 čtverečních stupňů.

Jedním z důležitých odhalení z objevů LIGO je, že černé díry s hvězdnou hmotností mohou být masivnější, než očekávali mnozí astronomové. Dříve odhady hmotnosti založené na rentgenové emisi z černých děr v binárních systémech s hvězdami (fialové) nepřekročily 20 solárních hmot. Ale tři potvrzené detekce LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) a detekce jednoho kandidáta (LVT151012) ukazují na populaci hvězdných hmotných binárních černých děr, které překračují limit 20-solární hmotnosti.
LIGO / Caltech / Sonoma State (Aurore Simonnet)

Toto je třetí pevná detekce gravitačních vln. Vědci LIGO zjistili předchozí dvě události v září a prosinci 2015 a oznámili je každý v roce 2016. (Třetí detekce iffy, v říjnu 2015, nebyla dostatečně silná, aby povstala nad status „kandidáta“. Zdá se, že všechny tyto události pocházejí z poslední okamžiky sloučení dvou černých děr, přičemž každý objekt má asi deset nebo více solárních hmot.

Před LIGO mohli astronomové „vidět“ tento typ černé díry, když sifonovali plyn od doprovodné hvězdy a zahřívali jej na teplotu rentgenového záření. Objekty, které LIGO poprvé detekoval, s hmotností více než 20 sluncí, přišly jako překvapení - mnozí teoretici si nemysleli, že takové husté černé hvězdné hmoty existovaly. (Supermasivní černé díry, ty, které se pohybují v jádrech galaxií, jsou zřetelnou populací: Na rozdíl od objektů LIGO nedosáhly své současné velikosti formováním z jediné hvězdy.)

Konečná hmotnost černé díry vytvořené nejnovější fúzí leží mezi těmi z předchozích dvou objevů LIGO. Stalo se to také přibližně dvakrát tak daleko jako ty události.

GW170104 je první objev z druhého pozorovacího běhu LIGO, alespoň o kterém víme. Tým obezřetně poznamenal, že identifikovali sedm „spouštěčů“, ale náměstkyně mluvčí Laury Cadonati (Georgia Tech) varuje, že ona a její kolegové při hledání potenciálních gravitačních vln obsadí širokou síť, takže mnoho spoušťů se nemusí vyhnout.

Deciphering of Gravitational-Wave Wiggle

Porovnání rekonstruovaných průběhů tří detekcí LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) a jednoho neověřeného kandidáta (LVT151012). Ačkoli tyto binární systémy produkují gravitační vlny po miliony nebo dokonce miliardy let, LIGO je dokáže detekovat pouze tehdy, když se členové pohybují dostatečně blízko, aby vytvořili gravitační vlny o dostatečně vysoké frekvenci. Na tomto obrázku odpovídá nulový sekundový bod detekční prahové hodnotě 30 Hz. Čím masivnější jsou černé díry, tím kratší je doba, kterou jejich měřitelný signál trvá v detektorech LIGO.
LIGO / Caltech / MIT / University of Chicago (Ben Farr)

Vědci odvozují věci, jako je hmotnost černých děr, rotace a vzdálenost, na základě pečlivého rozdělení signálu gravitační vlny. Frekvence gravitačních vln je například nepřímo úměrná celkové hmotnosti černých děr: Vyšší frekvence znamená nižší hmotu.

Jeden aspekt signálu GW170104 má astrofyziky nadšené: otáčení černých děr. Ačkoli tým nemůže před fúzí určit přesný směr a rychlost otáčení dvou černých děr, gravitační vlnový průběh naznačuje, že alespoň jedna z černých děr se točila v opačném směru, než ve kterém byly tyto dvě díry objekty se obíhaly.

Důvod je takto: Pokud by se dvě černé díry točily přesně v ose jejich oběžné dráhy, museli by se před sloučením ztratit část celkové rotační energie systému. Taková fúze by vyžadovala ještě několik oběžných drah, než kdyby se točení nesrovnalo, vysvětluje Cadonati. Tým ale neviděl tento „zavěšený“ efekt, takže si myslí, že věci nebyly dokonale seřazené.

Zobrazeny jsou dvě projekce pravděpodobných poloh oblohy pro tři potvrzené detekce LIGO a detekce kandidátů, přes optický obraz Mléčné dráhy. Nahoře je 3D projekce, která má napodobit nebeskou kouli, a dole je Aitoffova projekce stejné mapy. Vnější obrys každého z nich představuje 90% oblast spolehlivosti. Všechny lokalizace oblohy jsou posunuty do hvězdného času GW151226.
Obrysy: LIGO / Caltech / MIT / Leo Singer, Mléčná dráha Obrázek: Axel Mellinger

Tento náznak nesouladu je dráždivý. Pokud by se dvě černé díry vytvořily ze dvou hvězd, které začaly spolu žít jako binární systém, je pravděpodobnější, že se točí zhruba stejným způsobem. Pokud by se však černé díry spojily poté, co se vytvořily - řekněme tím, že se potopily do středu hustého hvězdného shluku - pak by se jejich dvě otočení mohla snadno úplně lišit. "Je to důležité vodítko pro pochopení toho, jak se tvoří černé díry, " říká Cadonati.

Hodnoty rotace samotné mohou poskytnout další vodítko. Všechny tři poslední černé díry, jejichž narození LIGO detekovalo rotaci rychlostí přibližně 70% maxima. Tento výsledek odpovídá nedávným výpočtům Mayy Fishbachové (University of Chicago) a dalších, což naznačuje, že když se černé díry podobných hmot sloučí, výsledný objekt bude mít kolem této hodnoty rychlost rotace. Pokud tato korelace vydrží, pak kdykoli najdeme černou díru s tímto zatočením, můžeme říci, že je to produkt sloučení.

Součástí velké lákavosti při studiu černých děr je to, že jako gravitační objekty jsou dokonalými laboratořemi pro testování našeho chápání gravitace. Dosud jsou všechny zjištěné gravitační vlnové události příkladem toho, co vědci očekávají, na základě Einsteinovy ​​obecné teorie relativity. Navzdory šepotům exotických ozvěn v signálu gravitační vlny první události je tým LIGO skeptický vůči této analýze. Vědci dosud nenašli žádnou jasnou odchylku od Einsteinovy ​​gravitace.

Ale to, co našli, je stejně cool: vynikající důkaz, že černé díry jsou skutečné.

Reference:

BP Abbott a kol. „GW170104: Pozorování 50-solární hmoty binární koalescence černých děr při Redshift 0, 2.“ Písmena fyzické recenze . 2. června 2017. (Publikováno 1. června)

Maya Fishbach, Daniel E. Holz, Ben Farr. „Jsou černé díry LIGO vyrobeny z menších černých děr?“ Astrofyzikální deníky . 10. května 2017.


Pokud byste se chtěli dozvědět více, přečtěte si příběh o zákulisí první detekce gravitačních vln a to, co jsme se dozvěděli z těchto vln časoprostorů v našem zářijovém čísle 1. srpna v novinách.