Детекторите на гравитационните вълни Елате онлайн, намерете възможен срив на черна дупка-неутронна звезда

Само след месец в нов наблюдателен цикъл, гравитационните вълнови обсерватории обявиха пет нови сигнала - един от които може да се окаже черна дупка, поглъщаща неутронна звезда.

Това изображение от симулация показва неутронна звезда, която се слива с черна дупка. Повечето материя попада в черната дупка, но част от тях е оставена извън хоризонта на събитията - узряла за последващи наблюдения.
Ф. Фукарт (САЩ, Ню Хемпшир) / SXS сътрудничество / класическа и квантова гравитация, 34, 4 (2017)

Не толкова отдавна учените обявиха първото откриване на гравитационни вълни. Сега, само три години по-късно, големите подобрения както в Лазерната интерферометрова гравитационна вълнова обсерватория (LIGO) в САЩ, така и в обсерваторията Дева близо до Пиза, Италия, обещават да направят тези открития общоприети.

През първия месец на третия си наблюдателен цикъл, който продължава от април 2019 г. до април 2020 г., LIGO и Дева вече са открили пет сигнала на гравитационната вълна, пулсации в космическото време, които започнаха своето пътуване при катаклизмични катастрофи на милиарди светлинни години. Това са кандидатски събития, което означава, че те все още не са напълно проучени. Наистина, един от тези кандидати може да се окаже флук, но други двама изглеждат добросъвестни сливания в черна дупка, докато четвъртият изглежда е срив на неутронна звезда. Най-изтръпващата обаче е петата и най-скорошна каша: черна дупка, поглъщаща неутронна звезда.

Обозначение (въз основа на откритата дата)Вероятно източникГрешна честота на аларма *
S190408anДве черни дупкиедин на 100 години
S190412mДве черни дупкиедин на 2 х 10 19 години
S190421arДве черни дупкиедин на 2 години
S190425zДве неутронни звездиедин на 70 000 години
S190426cЧерна дупка и неутронна звездаедин на 1 година, 7 месеца

* Неверната честота на алармата описва колко често бихме очаквали да видим подобен сигнал случайно, отколкото поради истинско събитие. Детекторите на гравитационните вълни работят малко повече от година, между три наблюдателни цикъла, така че събитията с еквивалентна честота на фалшиви аларми могат да се окажат на моменти.

Гравитация и светлина

Екипите на LIGO и Дева изчисляват, че S190425z, сигнал вероятно от две сливащи се неутронни звезди, произхожда от района, очертан на картата на небето. Тъй като само LIGO Ливингстън и Дева виждаха сигнала (LIGO Hanford беше офлайн по това време), неговата локализация не беше много точна, покривайки около 18 процента от небето.
LIGO / Дева / НАСА / Лео Сингър (Млечен път: Аксел Мелингер)

За разлика от предишните открития, които бяха внимателно проучени и потвърдени като реални източници, преди да бъдат обявени пред обществеността, ние чуваме за тези нови събития веднага. Това е, защото намирането на електромагнитно излъчване (т.е. светлина) от тези източници на гравитационна вълна е от решаващо значение за тяхното разбиране. Незабавните съобщения означават, че телескопите на земята и в космоса могат да настроят да наблюдават небето в близост до тези източници на гравитационна вълна наведнъж.

Докато двойките с черни дупки не са очаквани да произвеждат светлина, сигурно би било вълнуващо, ако го направят. По-важното е, че астрономите очакват вдъхновяващите звезди от неутронни звезди да произведат блестящи светкавици от светлината в електромагнитния спектър. Наблюдаването на това излъчване би помогнало да се хвърли светлина върху тези експлозивни събития, но и върху по-фундаменталната физика. Астрономите могат да използват сблъскващи се неутронни звезди, за да изпробват общата относителност, например, и да измерват разширяването на Вселената.

За съжаление, никой не намери колеги за кандидатите, докладвани до момента. Част от това е, защото когато двойката неутронни звезди се сблъска, един от детекторите е инструмент LIGO в Ханфорд, щата Вашингтон за кратко беше офлайн.

Понякога локалното движение на земята става твърде високо или подравняването е нарушено по някаква друга причина, а нашите системи за управление не могат да поддържат достатъчно стабилна оптика, което кара детекторът да излиза офлайн, казва Джесика Макивър ( LIGO). Ханфорд излезе офлайн в 7:55 ЮТ на 25 април, точно преди гравитационните вълни от сблъсъка с неутронната звезда да преминат през детектора.

Изолирането на инструментите от тези допълнителни източници на движение е именно причината Европейската космическа агенция да изстреля космическата антена за лазерен интерферометър (LISA); технологичната демонстрация вече е излетяла успешно (и надмина очакванията), но ще трябва да изчакаме до средата на 2030-те, преди да започнем да виждаме гравитационни вълни от космоса. (Тези гравитационни вълни също ще идват от различни източници - свръхмасивни, а не черни дупки със звездна маса.)

Сигналът, който може да дойде от черна дупка - сливането на неутронни звезди има по-малък отпечатък на небето (бяла линия), но Вселената е динамично място и намирането на партньор е трудно.
LIGO / Дева / НАСА / Лео Сингър (Млечен път: Аксел Мелингер)

Ако и трите детектора LIGO и Дева работят заедно, те могат да определят източник до стотици квадратни градуса. Но с Ханфорд за кратко извън комисиона, зоната на небето да се разшири до 10 000 квадратни градуса. И докато и трите детектора бяха онлайн, когато сигналът от черната дупка - сблъсъкът на неутронна звезда премина над Земята, сигналът му беше слаб. „Това е все едно да слушате как някой шепне дума в оживено кафене“, казва говорителят на LIGO Патрик Брейди (Университета на Уисконсин, Медисън). „Може да е трудно да разбереш думата или дори да сме сигурни, че човек изобщо прошепна. Ще отнеме известно време, докато се стигне до заключение за този кандидат. "

Въпреки предизвикателствата, играта все още не е приключила - астрономите все още са в процес на наблюдение на небето за възможни колеги. „Имаме още един изненадващ кандидат, за който журито все още е извън“, казва Манси Касливал (Caltech). „Събираме повече информация и се надявам скоро да успеем да кажа повече.“

Дългият път

Важно е да имате предвид, че всичко, което екипът на LIGO обяви досега, е предварително. Предстои още много работа за отстраняване на шума и изолиране на сигналите и някои от изводите може да се променят. Просто този път наоколо ще видим науката в действие. „Свойствата на събитието може да се променят, когато правим задълбочен анализ и последващи действия“, обяснява Макивър. „Ние [може] също виждаме статистическата значимост на тези събития да се променя с течение на времето.“

Илюстрация на художник на две сливащи се неутронни звезди.
NSF / LIGO / Държавен университет Sonoma / A. Simonnet

Все пак пет кандидати за един месец е благоприятно начало. Екипът очакваше да открие няколко сливания на черни дупки на месец - това е „хлябът и маслото на ЛИГО и Дева“. Но само при един сблъсък на неутронна звезда, наблюдаван през 2017 г., прогнозите за този наблюдателен цикъл варираха от едно сливане на неутронна звезда на месец до една година. Намирането на такъв през април вече е обещаващо, дори ако сме загубили шанса да намерим лекия му колега. Ако нещата продължат по начина, по който са минали, можем да очакваме да видим още много.

Още по-интригуващата е възможността за намиране на различни видове гравитационни вълни. Не че черните дупки се въртят една около друга с половината светлинна скорост, преди да се слеят в чудовищна яма в космическо време е скучно! Но с подобренията на чувствителността на LIGO и Девата, учените се надяват на способността да „чуват“ събития като експлозии на свръхнови, единични въртящи се неутронни звезди или може би нещо съвсем ново.

Как да вземем участие

Гравитационните вълни са тежка тема. Но дори и да не сте професионален учен, има начини да помогнете за отварянето на този нов прозорец на нашата вселена.

За да открият гравитационни вълни, детекторите трябва да измерват движенията 1000 пъти по-малки от ядрото на атом. Така че премахването на други, много по-големи движения - от земетресения, камиони, движещи се в близост до детекторите, и друг шум - е от решаващо значение за откриване на какъвто и да е сигнал. Един завладяващ проект, наречен Gravity Spy, съчетава гражданската наука с изкуствения интелект, за да направи точно това.

Първо, гражданските учени проучват примери за шум от детектори, класифицирайки различни видове т. Нар. „Бъгове“. за разпознаване на всеки бъг, както се появява в данните. „Тази комбинация е изключително мощна за характеризиране на LIGO и шума от детектори“, казва Макивър.

Аматьорите аматьори с достъп до телескоп също могат да помогнат. Телескопите по света се опитват да намерят светлина, идваща от същия източник, който произвежда гравитационните вълни, а задните дворове телескопи също могат да свършат тази работа. Аматьорите могат да се регистрират, за да получават автоматично генерирани известия за гравитационни вълни. Леките колеги най-вероятно ще идват от сблъсъци с неутронни звезди, така че в случай, че друга двойка неутронни звезди се слее, можете да кликнете върху автоматично генериран каталог на галактика тук. Намерете повече (макар и по-скоро техническа) информация за участието тук.