Nowe spostrzeżenia LIGO/Virgo na temat łączących się czarnych dziur

Od czasu wykrycia w 2015 roku pierwszego zdarzenia połączenia się dwóch czarnych dziur, detektory LIGO/Virgo zaobserwowały do końca września 2019 roku łącznie 47 pewnych zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Co kryje się za tymi zdarzeniami? Drugi katalog fal grawitacyjnych jest już oficjalnie dostępny – i statystyki populacji także są!

Kadr z symulacji pokazującej, jak czarne dziury mogą oddziaływać na siebie w chaotycznych jądrach gromad kulistych. Źródło: Carl Rodriguez/Northwestern Visualization.

Nowy katalog
W ostatnich latach detektory Advanced LIGO w Hanford (WA) i Livingston (LA) oraz detektor Advanced Virgo w Europie czuwały nad poszukiwaniem zmarszczek w czasoprzestrzeni, które dają nam znać, że para zwartych obiektów – czarnych dziur lub gwiazd neutronowych – wpadła w spiralę i się połączyła.

Podczas dwóch pierwszych biegów obserwacyjnych LIGO (O1 w latach 2015-16 i O2 w latach 2016-17) dwa detektory LIGO wykryły 11 przypadków połączeń. Po serii modernizacji detektorów, system powrócił do sieci w kwietniu 2019 roku na trzeci bieg (O3). W ciągu zaledwie 26 pierwszych tygodni pracy (O3a), LIGO/Virgo wspólnie odkryły kolejnych 36 połączeń.

W nowej publikacji zespół naukowców przedstawił drugi katalog zdarzeń fal grawitacyjnych (GWTC-2), który zawiera dane z O1, O2 i O3a. W towarzyszącej publikacji w Astrophysical Journal Letters, zespół przeanalizował szerszy zestaw wszystkich 47 zderzeń w katalogu, używając modeli populacyjnych, aby uzyskać głębszy wgląd we właściwości układów podwójnych oraz sposób formowania się i ewolucji tych układów.

Nauka o zderzeniach
Czego więc dowiedzieliśmy się od populacji GWTC-2?

1. Masa czarnej dziury jest bardziej skomplikowana niż wcześniej sądziliśmy.
Wszystkie łączące się czarne dziury w O1 i O2 miały masy pierwotne poniżej 45 mas Słońca, co jest zgodne z teorią, że czarne dziury o masach ~50-200 mas Słońca nie powinny być w stanie się uformować. Jednak O3a zawiera kilka czarnych dziur o masie pierwotnej powyżej 45 mas Słońca, więc nie możemy już modelować rozkładu masy pierwotnej jako pojedynczego prawa siły z ostrym odcięciem przy 45 masach Słońca. Może to sugerować, że patrzymy na różne populacje czarnych dziur, które uformowały się na różny sposób.

2. Niektóre czarne dziury mają spiny, które nie są zgodne z momentem pędu układu podwójnego.
Dziewięć z ostatnio wykrytych obiektów wykazuje niewłaściwe spiny, co jest kolejną wskazówką na temat ich powstawania. Okazuje się, że podwójne czarne dziury, które powstają i ewoluują w izolowanych parach będą miała podobne spiny, podczas gdy układy podwójne czarnych dziur tworzących się dynamicznie – na przykład w wyniku oddziaływań w gromadach gwiazd lub w dysku galaktyki aktywnej – powinny mieć izotropowo rozłożone spiny. Autorzy artykułu pokazują, że wirująca populacja GWTC-2 jest zgodna z 25-93% czarnych dziur tworzących się dynamicznie. To duży zakres, ale ważne jest to, że wskazuje to również na istnienie więcej niż jednego kanału formowania się!

3. Tempo łączenia się czarnych dziur prawdopodobnie wzrasta wraz z przesunięciem ku czerwieni.
Uaktualnione szacunki sugerują, że podwójne czarne dziury łączą się w tempie 15-38 zdarzeń na gigaparsek sześcienny na rok, a podwójne gwiazdy neutronowe w tempie 80-810 zdarzeń na gigaparsek sześcienny na rok. Tempo fuzji wydaje się być wyższe przy wyższym przesunięciu ku czerwieni, ale ten wzrost nie dokładnie odpowiada znanemu wzrostowi tempa powstawania gwiazd z przesunięciem ku czerwieni.

Przed nami wspaniała zabawa
Te wnioski wyraźnie oznaczają ogromny wzrost naszego zrozumienia tego, jak i gdzie tworzą się i ewoluują układy podwójne czarnych dziur – ale wciąż mamy tak wiele do nauczenia się! Na szczęście przed nami jest jeszcze mnóstwo danych: zespół analizuje obecnie ostatnie 5 miesięcy danych z O3, a detektory są teraz modernizowane w ramach przygotowań do O4, który ma ruszyć w 2022 roku.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Betelgeza jest mniejsza i bliższa niż początkowo sądzono

Odkryto drugą płaszczyznę Układu Słonecznego

Odkryto nową „skamieniałą galaktykę” zakopaną głęboko w Drodze Mlecznej