Τα βαρυτικά κύματα αποκαλύπτουν τη μεγαλύτερη συγχώνευση μαύρης τρύπας και την πρώτη μαύρη τρύπα μέσης μάζας
Βαρυτικά κύματα έχουν ανιχνευθεί από αυτό που φαίνεται να είναι η μεγαλύτερη συγχώνευση μαύρης τρύπας που έχει παρατηρηθεί ποτέ. Η ισχυρή και προηγουμένως απαρατήρητη ιεραρχική συγχώνευση οδήγησε σε μια μαύρη τρύπα μέσης μάζας, ένα αντικείμενο που δεν είχε εντοπιστεί ποτέ πριν.
Μια τεράστια έκρηξη βαρυτικών κυμάτων ισοδύναμη με την παραγωγή ενέργειας οκτώ Ήλιων ανιχνεύτηκε από το συμβολόμετρο λέιζερ LIGO. Οι ερευνητές του LIGO και του αδελφού του έργου VIRGO πιστεύουν ότι τα κύματα προέρχονται από τη συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών. Αλλά, αυτή δεν είναι η μέση συγχώνευση μαύρης τρύπας σας (αν υπάρχει κάτι τέτοιο). Η συγχώνευση — αναγνωρίζεται ως γεγονός βαρυτικού κύματος GW190521 — δεν είναι μόνο η μεγαλύτερη που έχει εντοπιστεί ποτέ σε βαρυτικά κύματα — αλλά είναι επίσης το πρώτο καταγεγραμμένο παράδειγμα αυτού που οι αστροφυσικοί ονομάζουν μια «ιεραρχική συγχώνευση» που συμβαίνει μεταξύ δύο μαύρων τρυπών διαφορετικών μεγεθών. γεννήθηκε από προηγούμενη συγχώνευση.
«Αυτό δεν μοιάζει πολύ με κελάηδισμα, το οποίο είναι αυτό που συνήθως ανιχνεύουμε», λέει ο Νέλσον Κρίστενσεν, μέλος του Virgo, ερευνητής στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας (CNRS), συγκρίνοντας το σήμα με την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από το LIGO. 2015. "Αυτό μοιάζει περισσότερο με κάτι που "μπαμ" και είναι το πιο τεράστιο σήμα που έχουν δει το LIGO και η Παρθένος."
Ακόμη πιο συναρπαστικό, φαίνεται ότι η μαύρη τρύπα που γεννήθηκε στο συμβάν έχει μάζα μεταξύ 100-1000 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου, τοποθετώντας την στο εύρος μάζας μιας μαύρης τρύπας μέσης μάζας (IMBH). Κάτι για το οποίο οι ερευνητές έχουν υποστηρίξει τη θεωρία για δεκαετίες, αλλά μέχρι τώρα δεν έχουν καταφέρει να εντοπίσουν.
Το σήμα βαρυτικού κύματος –που εντοπίστηκε από το LIGO στις 21 Μαΐου 2019– εμφανίζεται στο ανεκπαίδευτο μάτι ως κάτι λιγότερο από τέσσερα σύντομα σκιρτήματα που διήρκεσαν λίγο περισσότερο από το ένα δέκατο του δευτερολέπτου, αλλά για την Alessandra Buonanno, την κύρια ερευνήτρια της Επιστημονικής Συνεργασίας LIGO. του οποίου η ομάδα επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μοντέλων κυματομορφών υψηλής ακρίβειας, διαθέτει πληθώρα πληροφοριών. «Είναι καταπληκτικό, αλλά από περίπου τέσσερις κύκλους βαρυτικών κυμάτων, θα μπορούσαμε να εξαγάγουμε μοναδικές πληροφορίες για την αστροφυσική πηγή», λέει στο ZME Science.
Εκτός από ζωτικής σημασίας πληροφορίες για τις μαύρες τρύπες και ένα συγκλονιστικό γεγονός συγχώνευσης, καθώς το σήμα προήλθε 17 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη και σε μια εποχή που το Σύμπαν ήταν το ήμισυ της τρέχουσας ηλικίας του, είναι επίσης μια από τις πιο μακρινές πηγές βαρυτικών κυμάτων παρατηρηθεί ποτέ. Η απίστευτη απόσταση που έχει διανύσει το σήμα μπορεί αρχικά να φαίνεται σε αντίθεση με το γεγονός ότι το Σύμπαν είναι μόλις 14,8 δισεκατομμυρίων ετών, αλλά η διαφορά προκύπτει από το γεγονός ότι το σύμπαν μας δεν είναι στατικό αλλά διαστέλλεται.
Λεπτομέρειες για τα σημαντικά ευρήματα της διεθνούς ομάδας παρουσιάζονται σε μια σειρά εργασιών που δημοσιεύονται σε περιοδικά όπως το Physical Review Letters , και The Astrophysical Journal Letters , σήμερα.
Περιεχόμενα
- 1 Λείπει 1 Μαύρες Τρύπες Intermediete-Mass
- 2 Αστάθεια ζευγών και Ιεραρχικές Συγχωνεύσεις Μαύρων Τρυπών
- 3 LIGO που προσφέρει ανακαλύψεις και εκπλήξεις
- 4 αναπάντητα ερωτήματα και μελλοντικές έρευνες
Μαύρες τρύπες που λείπουν Intermediete-Mass
Μέχρι στιγμής, οι μαύρες τρύπες που ανακαλύφθηκαν από τους αστρονόμους ήταν είτε αυτές με μάζα ευθυγραμμισμένη με αυτή μεγαλύτερων άστρων – οι λεγόμενες μαύρες τρύπες αστρικής μάζας ή υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, με μάζες που υπερβαίνουν κατά πολύ αυτό. Οι μαύρες τρύπες που υπάρχουν ανάμεσα σε αυτές τις μάζες έχουν παραμείνει, απογοητευτικά κρυμμένες. Μέχρι τώρα.
«Οι συνεργασίες LIGO και Virgo εντόπισαν ένα βαρυτικό κύμα που αντιστοιχεί σε μια πολύ ενδιαφέρουσα συγχώνευση μαύρης τρύπας. Αυτό ονομάστηκε GW190521 και αντιστοιχεί σε δύο μεγάλες μαύρες τρύπες κατά την τελική τροχιά και τη συγχώνευση», λέει στο ZME Science ο Pedro Marronetti, διευθυντής προγράμματος για τη βαρυτική φυσική στο Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) που είναι υπεύθυνος για την επίβλεψη του LIGO.
Έτσι, η προκύπτουσα μαύρη τρύπα των 142 ηλιακών μαζών υπάρχει σε αυτό το κρίσιμο, μέχρι στιγμής μη ανιχνευμένο, εύρος μάζας που υποδεικνύει μια μαύρη τρύπα μέσης μάζας (IMBH).
«Αυτές οι μαύρες τρύπες, βαρύτερες από 100 ηλιακές μάζες αλλά πολύ ελαφρύτερες από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο των γαλαξιών——που μπορεί να είναι εκατομμύρια και δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες——έχουν διαφύγει την ανίχνευση μέχρι τώρα», λέει ο Marronetti. "Επιπλέον, η βαρύτερη από τις αρχικές μαύρες τρύπες με 85 ηλιακές μάζες παρουσιάζει επίσης ένα αίνιγμα."
Αστάθεια ζεύγους και Ιεραρχικές Συγχωνεύσεις Μαύρων Τρυπών
Το αίνιγμα στο οποίο αναφέρεται ο Marronetti είναι το γεγονός ότι η βαρύτερη από τις δύο μαύρες τρύπες που εισήχθησαν στη συγχώνευση, είναι μεγέθους που υποδηλώνει ότι και αυτό πρέπει να δημιουργήθηκε από ένα γεγονός συγχώνευσης μεταξύ δύο, ακόμη μικρότερων, μαύρων οπών. «Το πιο κοινό κανάλι σχηματισμού μαύρων τρυπών περιλαμβάνει βαριά αστέρια που τελειώνουν τη ζωή τους σε εκρήξεις σουπερνόβα», επισημαίνει ο διευθυντής του προγράμματος NSF. "Ωστόσο, αυτό το κανάλι σχηματισμού εμποδίζει τη δημιουργία μαύρων οπών βαρύτερων από 65 ηλιακές μάζες αλλά ελαφρύτερες από 130 ηλιακές μάζες λόγω ενός φαινομένου που ονομάζεται "αστάθεια ζευγαριών".
Καθώς η πυρηνική σύντηξη σταματά, δεν υπάρχει πλέον αρκετή πίεση προς τα έξω ακτινοβολίας για να αποφευχθεί η βαρυτική κατάρρευση. «Το αστέρι αρχίζει ξαφνικά να παράγει φωτόνια που είναι αρκετά ενεργητικά για να δημιουργήσουν ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων», εξηγεί ο Marronetti. «Αυτά τα φωτόνια, με τη σειρά τους, δημιουργούν μια εξωτερική πίεση που δεν είναι αρκετά ισχυρή για να εμποδίσει το αστέρι να καταρρεύσει βίαια λόγω της αυτοβαρυτικής του έλξης.»
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια διαφορά στη βαρυτική πίεση μεταξύ των τον πυρήνα του αστεριού και τα εξωτερικά του στρώματα. Καθώς ένας τεράστιος κραδασμός ταξιδεύει μέσα από αυτά τα «φουσκωμένα» εξωτερικά στρώματα, εκτοξεύονται σε μια τεράστια έκρηξη. Με μικρότερα αστέρια, αυτό αφήνει πίσω έναν εκτεθειμένο πυρήνα που γίνεται ένα αστρικό υπόλειμμα όπως ένας λευκός νάνος, ένα αστέρι νετρονίων ή μια μαύρη τρύπα. Αλλά αν το άστρο έχει εύρος πάνω από 130 ηλιακές μάζες, αλλά κάτω από 200 ηλιακές μάζες, το αποτέλεσμα είναι πιο καταστροφικό.
«Η προκύπτουσα έκρηξη σουπερνόβα εξαφανίζει εντελώς το αστέρι, χωρίς να αφήνει τίποτα πίσω – δεν παράγεται μαύρη τρύπα ή αστέρι νετρονίων», λέει ο Marronetti. "Θα χρειαστούν αστέρια βαρύτερα από 200 ηλιακές μάζες για να καταρρεύσουν σε μαύρη τρύπα αρκετά γρήγορα ώστε να αποφευχθεί αυτή η πλήρης αποσύνθεση."
Όπως επισημαίνει ο Marronetti. Αυτό σημαίνει ότι η πίσω τρύπα 85 ηλιακής μάζας θα μπορούσε να σχηματιστεί μόνο με τη συγχώνευση δύο μικρότερων μαύρων τρυπών, καθώς σε αυτές τις μάζες, τα αστέρια που καταρρέουν δεν μπορούν να σχηματίσουν μαύρες τρύπες. «Αυτό είναι ένα αρκετά ασυνήθιστο γεγονός που μπορεί να συμβεί μόνο σε περιοχές πυκνού πληθυσμού μαύρων τρυπών, όπως τα σφαιρικά σμήνη», προσθέτει ο ερευνητής. "Το GW190521 είναι η πρώτη ανίχνευση που είναι πιθανό να οφείλεται σε αυτήν την "ιεραρχική συγχώνευση" των μαύρων οπών."
Ο Marronetti συνεχίζει εξηγώντας ότι μια ιεραρχική συγχώνευση αποτελείται από μία ή περισσότερες μαύρες τρύπες που παράγονται από μια προηγούμενη συγχώνευση μαύρης τρύπας. Αυτή η ιεραρχία συγχωνεύσεων επιτρέπει τον σχηματισμό σταδιακά βαρύτερων και βαρύτερων μαύρων τρυπών από έναν αρχικό πληθυσμό μικρών.
Ανακαλύψεις και εκπλήξεις που προσφέρει LIGO
Η ομάδα αποκάλυψε την ασυνήθιστη φύση αυτής της συγκεκριμένης συγχώνευσης αξιολογώντας το σήμα βαρυτικού κύματος με ισχυρά υπολογιστικά μοντέλα τελευταίας τεχνολογίας. Όχι μόνο αυτό αποκάλυψε ότι το GW190251 προέρχεται από την πιο μαζική συγχώνευση μαύρης τρύπας που έχει παρατηρηθεί ποτέ και ότι αυτή δεν ήταν μια συνηθισμένη συγχώνευση, αλλά μια ιεραρχική συγχώνευση, αλλά και κρίσιμες πληροφορίες για τις μαύρες τρύπες που εμπλέκονται στο γεγονός.
«Το σήμα μεταφέρει πληροφορίες σχετικά με τις μάζες και τις περιστροφές των αρχικών πίσω οπών καθώς και το τελικό προϊόν τους», προσθέτει ο Marronetti, αναφέροντας το γεγονός ότι η ομάδα LIGO - VIRGO μπόρεσε να μετρήσει αυτή την περιστροφή και καθορίστε ότι καθώς οι μαύρες τρύπες έκαναν κύκλους μεταξύ τους, περιστρέφονταν επίσης γύρω από τους δικούς τους άξονες. Οι γωνίες αυτών των αξόνων φαινόταν ότι δεν ήταν ευθυγραμμισμένες με τους άξονες της τροχιάς τους. Αυτή η κακώς ευθυγραμμισμένη περιστροφή έκανε τις μαύρες τρύπες να «ταλαντεύονται» καθώς κινούνταν μαζί.
«Τα μοντέλα μας κυματομορφής χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση του GW190521 και επίσης για την ερμηνεία της φύσης του, εξάγοντας τις ιδιότητες της πηγής, όπως μάζες, σπιν, τοποθεσία στον ουρανό και απόσταση από τη Γη. Για πρώτη φορά, τα μοντέλα κυματομορφής περιελάμβαναν νέα φυσικά εφέ, κυρίως τη μετάπτωση των περιστροφών των μαύρων οπών και τις υψηλότερες αρμονικές», λέει ο Buonanno. «Αυτό που εννοούμε όταν λέμε υψηλότερες αρμονικές είναι σαν τη διαφορά στον ήχο μεταξύ ενός μουσικού ντουέτου με μουσικούς που παίζουν το ίδιο όργανο έναντι διαφορετικών οργάνων.
Απάντητες ερωτήσεις και μελλοντικές έρευνες
Ακόμη και με τον εκπληκτικό όγκο πληροφοριών που μπόρεσε να συλλέξει η ομάδα σχετικά με τη συγχώνευση που προκάλεσε το σήμα GW190251, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες αναπάντητα ερωτήματα και λεπτομέρειες που πρέπει να επιβεβαιωθούν.
Οι ανιχνευτές LIGO-VIRGO χρησιμοποιούν δύο πολύ διακριτές μεθόδους για να αναζητήσουν βαρυτικά κύματα στο Σύμπαν, έναν αλγόριθμο για να διαλέξουν ένα συγκεκριμένο μοτίβο κυμάτων που παράγεται πιο συχνά από συμπαγείς δυαδικές συγχωνεύσεις και πιο γενικές αναζητήσεις «έκρηξης». Το τελευταίο αναζητά οποιοδήποτε σήμα «εκτός του συνηθισμένου» και είναι ο μηχανισμός μέσω του οποίου οι ερευνητές βρήκαν το GW190215.
Ο Morronetti εκφράζει κάποια έκπληξη που οι μέθοδοι που χρησιμοποίησε η ομάδα κατάφεραν να ξεκλειδώσουν αυτά τα μυστικά, πιστεύοντας ότι αυτό το αποτέλεσμα καταδεικνύει την ευελιξία του LIGO. «Η κύρια έκπληξή μου ήταν ότι αυτό το συμβάν εντοπίστηκε χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο αναζήτησης που δεν δημιουργήθηκε ειδικά για την εύρεση σημάτων συγχώνευσης», λέει ο διευθυντής του NSF. "Αυτή είναι η πρώτη ανίχνευση του είδους της και δείχνει την ικανότητα του LIGO να ανιχνεύει φαινόμενα πέρα από συμπαγείς συγχωνεύσεις."
Αυτό αφήνει ανοιχτή τη μικρή πιθανότητα ότι το σήμα δημιουργήθηκε από κάτι διαφορετικό από μια ιεραρχική συγχώνευση. Ίσως κάτι εντελώς νέο. Οι συγγραφείς υπαινίσσονται τη δελεαστική προοπτική ορισμένων νέων φαινομένων, άγνωστων μέχρι τώρα, στην εργασία τους, αλλά ο Marronetti είναι επιφυλακτικός:«Με διαφορά, η πιο πιθανή αιτία είναι η συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών, όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Ωστόσο, αυτό δεν είναι τόσο σίγουρο όσο με προηγούμενες ανιχνεύσεις LIGO/Virgo.
«Υπάρχει ακόμη η μικρή πιθανότητα ότι το σήμα προκλήθηκε από ένα διαφορετικό φαινόμενο, όπως μια έκρηξη σουπερνόβα ή ένα γεγονός κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτά τα σενάρια είναι πιθανά, αλλά πολύ απίθανα.”
Η επιβεβαίωση της φύσης του γεγονότος που προκάλεσε το σήμα GW190251 είναι κάτι στο οποίο η ομάδα LIGO θα επικεντρωθεί στο μέλλον καθώς το συμβολόμετρο αναζητά επίσης παρόμοια γεγονότα μέσω των βαρυτικών κυμάτων που εκπέμπουν. «
Με το GW190521, είδαμε την κορυφή του παγόβουνου ενός νέου πληθυσμού μαύρων τρυπών», λέει ο Buonanno, προσθέτοντας ότι η επόμενη λειτουργική διαδρομή του LIGO (O4) θα εξερευνήσει έναν όγκο διαστήματος 3 φορές μεγαλύτερο από την τρέχουσα εκτέλεση (O3). "Η πρόσβαση σε μεγαλύτερο αριθμό γεγονότων, τα οποία ήταν πολύ αδύναμα για να παρατηρηθούν κατά τη διάρκεια του O3, θα μας επιτρέψει να ρίξουμε φως στο σενάριο σχηματισμού δυαδικών μαύρων οπών όπως το GW150921."
