N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes project
Физики из международных коллабораций LIGO и VIRGO впервые смогли зарегистрировать всплеск гравитационных волн, возникший при слиянии черных дыр в асимметричной двойной системе. Они имели массы 29,7 и 8,4 масс Солнца. Результаты работы позволили как наложить ограничения на модели формирования подобных систем, так и в очередной раз доказать предсказания Общей теории относительности. Препринт работы опубликован на сайте arXiv.org.
Гравитационные волны представляют собой волны колебаний геометрии пространства-времени, существование которых было предсказано Общей теорией относительности Эйнштейна. С момента объявления о первой регистрации гравитационных волн в 2016 году лазерные интерферометры LIGO и VIRGO провели две наблюдательных кампании O1 и O2, которые привели к первому случаю обнаружения гравитационного всплеска от слияния нейтронных звезд и нейтронной звезды и черной дыры, а также к увеличению количества наблюдавшихся слияний черных дыр. Третий наблюдательный период начался 1 апреля 2019 года, после очередной модернизации детекторов, которая позволила существенно увеличить их чувствительность.
Гравитационный всплеск, получивший обозначение GW170608, был зарегистрирован 12 апреля 2019 года в 05:30 по Гринвичу обсерваторией Advanced Virgo и обеими обсерваториями Advanced LIGO. Разница во времени регистрации позволила оценить местоположение источника сигнала на небесной сфере в пределах 156 квадратных градусов, вероятность ложного срабатывания составляет менее одного события за 105 лет. Оповещение о регистрации всплеска было разослано различным обсерваториям для поиска возможного источника электромагнитного излучения в этой области неба, связанного со всплеском.
Анализ данных показал, что ученым впервые удалось обнаружить гравитационные волны от асимметричной двойной системы черных дыр, которые имели массы 29,7 и 8,4 масс Солнца. До этого момента регистрировались слияния черных дыр с примерно равными массами. Сигнал шел до Земли от 1,9 до 2,9 миллиарда лет.
Общий вид сигнала GW190412, зарегистрированного обсерваториями LIGO и Virgo
LIGO Collaboration/Virgo Collaboration
Можно выделить два момента делающих это открытие уникальным. Первый заключается в наложении ограничений на модели образования асимметричных по массе двойных черных дыр. Считается, что более массивная черная дыра в системе уже может являться итогом слияния двух черных дыр звездных масс, а подобные системы могут быть результатом столкновений массивных звезд в молодых звездных скоплениях или дальнейшей эволюцией в системах из трех-четырех компактных объектов в ядрах других галактик, в том числе и активных.
Второй момент заключается в новой проверке предсказаний теории относительности. Гравитационные волны сжимают и растягивают объекты в перпендикулярных направлениях. Величина сжатия h определяется массой источника гравитационных волн, а также расстоянием между детектором и источником, ее можно разложить на мультипольные моменты в сферических полярных координатах, центром которых будет сам источник. Каждый мультипольный момент несет определенную информацию об источнике и сопоставление теории с результатами анализа полученных данных позволяет извлечь эту информацию. Теория относительности предсказывает, что асимметричные системы испускают гравитационные волны, для которых будет иметь место вклад от высших мультиполей, что проявится в появлении в сигнале гармоник, похожих на обертоны музыкальных инструментов. Это и было обнаружено в случае GW170608.
О том, что такое гравитационные волны и как их регистрируют можно узнать из наших материалов «На гребне метрического тензора», «Точилка для квантового карандаша» и «Тоньше протона».
Александр Войтюк