Gravitacinių bangų detektoriai prisijungia internete, raskite galimas juodųjų skylių-neutronų žvaigždžių avarijas

Tik per mėnesį į naują stebėjimo ciklą gravitacinių bangų observatorijos paskelbė penkis naujus signalus - vienas iš jų gali pasirodyti juodoji skylė, praryjanti neutroninę žvaigždę.

Šis vaizdas iš modeliavimo rodo, kad neutroninė žvaigždė susilieja su juoda skyle. Didžioji dalis materijos patenka į juodąją skylę, bet dalis yra palikta už įvykio horizonto - pribrendę tolesniems stebėjimams.
F. Foucartas (JAV iš Naujojo Hampšyro) / SXS bendradarbiavimas / Klasikinė ir kvantinė gravitacija, 34, 4 (2017 m.)

Ne taip seniai mokslininkai paskelbė pirmąjį gravitacinių bangų aptikimą. Dabar, praėjus tik trejiems metams, esminiai patobulinimai tiek Lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorijoje (LIGO) JAV, tiek Mergelių observatorijoje netoli Pizos, Italijoje, žada šiuos atradimus padaryti įprastais.

Per pirmąjį savo trečiojo stebėjimo bėgimo, kuris tęsiasi nuo 2019 m. Balandžio mėn. Iki 2020 m. Balandžio mėn., Mėnesį LIGO ir Mergelė jau aptiko penkis gravitacinių bangų signalus, banguotus erdvėlaikio metu, kurie savo kelionę pradėjo kataklizminėje avarijoje, suduždami milijardais šviesmečių. Tai yra kandidatai į renginius, o tai reiškia, kad jie dar nėra visiškai patikrinti. Iš tiesų vienas iš šių kandidatų gali pasirodyti nevykęs, tačiau kiti du atrodo sąžiningi juodosios skylės susiliejimai, o ketvirtasis - neutroninių žvaigždžių katastrofa. Vis dėlto labiausiai bauginantis yra penktasis ir paskutinis mashupas: juodoji skylė, praryjanti neutroninę žvaigždę.

Paskyra (pagal aptikimo datą)Tikėtinas šaltinisKlaidingas aliarmo dažnis *
S190408anDvi juodos skylėsvienas per 100 metų
S190412mDvi juodos skylėsvienas per 2 x 10 19 metų
S190421arDvi juodos skylėsvienas per 2 metus
S190425zDvi neutroninės žvaigždėsvienas per 70 000 metų
S190426cJuodoji skylė ir neutroninė žvaigždėvienas per 1 metus, 7 mėnesiai

* Neteisingas aliarmo dažnis apibūdina, kaip dažnai mes tikėjomės pamatyti panašų signalą atsitiktinai, o ne dėl tikro įvykio. Gravitacinių bangų detektoriai iš viso veikia šiek tiek daugiau nei metus, tarp trijų stebimų eigų, todėl įvykiai su lygiaverčiais klaidingais pavojaus signalais gali pasirodyti flukes.

Gravitacija ir šviesa

LIGO ir Mergelės komandos vertina, kad S190425z, signalas, kuris gali kilti iš dviejų susijungiančių neutroninių žvaigždžių, kilo iš dangaus žemėlapyje nurodyto regiono. Kadangi signalą matė tik LIGO Livingstonas ir Mergelė (tuo metu „LIGO Hanford“ neprisijungė), jo lokalizavimas nebuvo tikslus, apimantis apie 18 procentų dangaus.
LIGO / Mergelė / NASA / Liūtas dainininkas (Paukščių Tako vaizdas: Axel Mellinger)

Priešingai nei ankstesni atradimai, kurie prieš paskelbiant visuomenei buvo kruopščiai patikrinti ir patvirtinti kaip tikri šaltiniai, apie šiuos naujus įvykius girdime iškart. Taip yra todėl, kad norint suprasti šiuos gravitacinių bangų šaltinius, būtina rasti elektromagnetinę spinduliuotę (ty šviesą). Skubūs pranešimai reiškia, kad teleskopai, esantys žemėje ir kosmose, gali iškart stebėti dangų šalia šių gravitacinių bangų šaltinių.

Nors nesitikėta, kad juodųjų skylių poros skleis šviesą, tikrai būtų įdomu, jei jos tai padarytų. Dar svarbiau, kad astronomai tikisi, kad įkvepiančios neutronų žvaigždžių poros per elektromagnetinį spektrą sukels ryškius šviesos blyksnius. Stebint šią radiaciją būtų lengviau išsiaiškinti ne tik šiuos sprogstamuosius įvykius, bet ir pagrindinę fiziką. Astronomai gali panaudoti susidūrusias neutronines žvaigždes, pavyzdžiui, išbandyti bendrąjį reliatyvumą ir išmatuoti Visatos plėtimąsi.

Deja, iki šiol praneštų kandidatų atitikmenų niekas nerado. Iš dalies taip yra todėl, kad susidūrus neutronų žvaigždžių porai, vienas iš detektorių - LIGO instrumentas Hanforde, Vašingtone - buvo trumpam neprisijungęs.

Kai kuriais atvejais vietinis žemės judėjimas tampa per didelis arba lygiavimas sutrinka dėl kokių nors kitų priežasčių, o mūsų valdymo sistemos negali pakankamai stabiliai išlaikyti optikos, todėl detektorius atsijungia, - sako Jessica McIver ( LIGO). Hanfordas neprisijungė balandžio 25 d., 7:55 UT, prieš pat gravitacines bangas nuo neutroninių žvaigždžių susidūrimo praeidamas pro detektorių.

Priemonių atskyrimas nuo šių papildomų judesio šaltinių yra būtent todėl Europos kosmoso agentūra nori paleisti lazerio interferometro kosmoso anteną (LISA); technologijos demonstracinė versija jau sėkmingai sklandė (ir pranoko lūkesčius), tačiau 2030-ųjų viduryje turėsime palaukti, kol pradėsime matyti gravitacines bangas iš kosmoso. (Šios gravitacinės bangos taip pat bus iš įvairių šaltinių - supermasyvios, o ne žvaigždžių masės juodosios skylės.)

Signalas, kuris gali ateiti iš juodosios skylės - neutroninių žvaigždžių susijungimas turi mažesnį pėdsaką danguje (balta linija), tačiau Visata yra dinamiška vieta ir rasti kolegą sunku.
LIGO / Mergelė / NASA / Liūtas dainininkas (Paukščių Tako vaizdas: Axel Mellinger)

Jei visi trys LIGO ir Mergelės detektoriai veikia kartu, jie gali tiksliai nustatyti šaltinį šimtų kvadratinių laipsnių tikslumu. Tačiau kai Hanfordas buvo trumpam nenaudojamas, dangaus plotas šuktelėjo iki 10000 kvadratinių laipsnių. Ir nors visi trys detektoriai buvo prisijungę, kai signalas iš juodosios skylės - neutronų žvaigždžių susidūrimas praėjo per Žemę, jo signalas buvo silpnas. „Tai panašu į klausymąsi, kai kažkas šaukia žodį užimtoje kavinėje“, - sako LIGO atstovas Patrickas Brady (Viskonsino universitetas, Madisonas). „Gali būti sunku ištarti žodį ar net įsitikinti, kad žmogus išvis šnabžda. Prireiks šiek tiek laiko, kol bus padaryta išvada apie šį kandidatą. “

Nepaisant kylančių iššūkių, žaidimas dar nesibaigė - astronomai vis dar stebi dangų galimų bendražygių. „Turime vieną įkyrų kandidatą, kuriam žiuri vis dar nedalyvauja“, - sako Mansi Kasliwal („Caltech“). „Mes renkame daugiau informacijos ir tikiuosi netrukus galėsime pasakyti daugiau“.

Ilgas atstumas

Svarbu nepamiršti, kad viskas, ką LIGO komanda iki šiol paskelbė, yra preliminari. Pašalinti triukšmą ir izoliuoti signalus dar reikia daug nuveikti, o kai kurios išvados gali pasikeisti. Tiesiog šiuo metu mes galime pamatyti, kaip veikia mokslas. „Įvykio savybės gali keistis atlikus išsamią analizę ir stebėjimą“, - aiškina McIver. „Mes taip pat galime pastebėti, kad laikui bėgant keičiasi statistinė šių įvykių svarba“.

Dviejų suliejančių neutroninių žvaigždžių iliustracija menininkui.
NSF / LIGO / Sonomos valstybinis universitetas / A. Simonnet

Vis dėlto penki kandidatai per mėnesį yra palanki pradžia. Komanda tikėjosi rasti keletą juodųjų skylių susijungimų per mėnesį - tai yra LIGO ir Mergelės „duona ir sviestas“. Tačiau 2017 m. Stebint tik vieną neutronų žvaigždžių susidūrimą, šio stebėjimo eigos prognozės svyravo nuo vieno neutroninių žvaigždžių susijungimo per mėnesį. iki vienerių per metus. Surasti tokį jau balandžio mėnesį žada, net jei praradome galimybę rasti jo lengvą atitikmenį. Jei viskas vyks taip, kaip vyko, galime tikėtis pamatyti dar daug.

Dar labiau intriguoja galimybė rasti įvairių tipų gravitacines bangas. Ne taip, kad juodos skylės, besisukančios aplink viena kitą šviesos greičiu, prieš erdvėlaiviu įsiliejant į didžiulę duobę, yra nuobodžios! Patobulinę LIGO ir Mergelės jautrumą, mokslininkai tikisi sugebėjimo „išgirsti“ įvykius, tokius kaip supernovos sprogimai, vienos besisukančios neutroninės žvaigždės ar galbūt kažkas visiškai naujo.

Kaip dalyvauti

Gravitacijos bangos yra sunki tema. Bet net jei nesate profesionalus mokslininkas, yra būdų, kaip padėti atverti šį naują langą į mūsų visatą.

Norėdami aptikti gravitacines bangas, detektoriai turi išmatuoti judesius, kurie yra 1000 kartų mažesni už atomo branduolį. Taigi norint aptikti bet kokį signalą, labai svarbu pašalinti kitus, daug didesnius, judesius - nuo žemės drebėjimų, sunkvežimių, važiuojančių šalia detektorių, ir kito triukšmo. Įspūdingas projektas, pavadintas „Gravity Spy“, vienija tai ir piliečių mokslą su dirbtiniu intelektu.

Pirmiausia piliečių mokslininkai nagrinėja detektorių keliamo triukšmo pavyzdžius, klasifikuodami įvairius vadinamųjų „trūkumų“ tipus. Tada kompiuterinis algoritmas, vadinamas konvoliuciniu neuroniniu tinklu (tas pats algoritmas yra savavaldžių automobilių viduje), treniruojasi pagal šiuos pavyzdžius ir iš tikrųjų sužino, kaip atpažinti kiekvieną trūkumą, koks jis yra duomenyse. „Šis derinys buvo nepaprastai galingas apibūdinant LIGO ir Mergelės detektorių triukšmą“, - sako McIveris.

Taip pat gali padėti astronomai mėgėjai, turintys prieigą prie teleskopo. Visame pasaulyje teleskopai bando surasti šviesą iš to paties šaltinio, kuris skleidžia gravitacines bangas, ir tą patį darbą gali atlikti ir kieme esantys teleskopai. Mėgėjai gali užsiregistruoti, kad čia gautų automatiškai sugeneruotus pranešimus apie gravitacinių bangų aptikimą. Šviesos ekvivalentai greičiausiai susidarys iš susidūrimų su neutronų žvaigždėmis, taigi, jei susijungia kita neutronų žvaigždžių pora, čia galite spustelėti į automatiškai sugeneruotą galaktikų katalogą. Čia rasite daugiau (nors ir gana techninės) informacijos apie įsitraukimą.