V dalším prvním vědci z detektorů gravitačních vln LIGO a Virgo oznámili signál, který se nepodobal ničemu, co kdy předtím viděli. Zatímco mnoho spojení černých děr bylo detekováno díky mezinárodní síti detektorů LIGO a Virgo, tento konkrétní signál (GW190412) byl první, kde měly dvě černé díry zřetelně odlišné hmotnosti.
Událost byla pozorována jak LIGO, tak Pannou 12. dubna 2019, na začátku třetího pozorování detektorů (O3). Tvrdí to studie, která popisuje nález, který se nedávno objevil online a webové stránky LIGO , GW190412 se odehrála asi 1,9 až 2,9 miliardy světelných let od Země. Jednalo se o sloučení dvou černých děr o hmotnosti přibližně 8 a 30 hmotností Slunce.
Tato událost je v historii astronomie gravitačních vln unikátní, protože všechny dvojhvězdy dříve pozorované detektory LIGO a Virgo sestávaly ze dvou zhruba podobných hmot. Analýzy ukazují, že ke sloučení došlo ve vzdálenosti 1,9 až 2,9 miliardy světelných let od Země. Nový systém nestejné hmotnosti je unikátním objevem, protože všechny dvojhvězdy dříve pozorované detektory LIGO a Virgo se skládaly ze dvou zhruba podobných hmot.
Umělcův dojem sloučení binárních černých děr. Kredit: LIGO/A. Simonnet.
Tento ostrý rozdíl v hmotnosti umožnil vědcům LIGO/Virgo ověřit něco, co předpovídali Einsteinova obecná teorie relativity , která zatím zůstala nevyzkoušena. Frank Ohme je vůdcem nezávislé výzkumné skupiny Maxe Plancka – aka. „Binary Merger Observations and Numerical Relativity“ – v Institutu Alberta Einsteina (AEI). Jak uvedl v nedávném AEI tisková zpráva :
„Úplně poprvé jsme v GW190412 ‚slyšeli‘ nezaměnitelné hučení gravitačních vln vyšší harmonické, podobné tónům hudebních nástrojů. V systémech s nestejnou hmotností, jako je GW190412 – naše první pozorování tohoto typu – jsou tyto podtóny v signálu gravitačních vln mnohem hlasitější než u našich obvyklých pozorování. To je důvod, proč jsme je předtím nemohli slyšet, ale v GW190412 konečně můžeme.“
Tato pozorování opět potvrzují teorii obecné relativity (GR), která říká, že masivní objekty mění zakřivení časoprostoru a způsobují „vlnění“ – alias. gravitační vlny – když se spojí. Teorie také předpovídá, že binární systémy, kde se dva objekty výrazně liší z hlediska hmotnosti, zavedou do tvaru vlny vyšší „harmonické“.
Když spolupráce LIGO a Virgo zkoumaly signál produkovaný GW190412, poprvé v historii pozorovali tento jev při práci. Stručně řečeno, základní frekvence GW byla dvakrát nebo třikrát vyšší než to, co bylo pozorováno u všech ostatních událostí, které byly dosud detekovány.
Říká Roberto Cotesta, doktorand v oddělení „Astrofyzikální a kosmologická teorie relativity“ na AEI v Postupimi:
„Černé díry v srdci GW190412 mají 8 a 30krát větší hmotnost než naše Slunce. Toto je první binární systém černých děr, který jsme pozorovali a u kterého je rozdíl mezi hmotnostmi dvou černých děr tak velký! Tento velký hmotnostní rozdíl znamená, že můžeme přesněji změřit několik vlastností systému: jeho vzdálenost od nás, úhel, z něhož se na něj díváme, a jak rychle se těžká černá díra otáčí kolem své osy.
Další výhodou této nejnovější detekce je, že umožnila týmu měřit astrofyzikální vlastnosti systému s větší přesností. Stručně řečeno, nestejné hmotnosti se otiskují do signálu GW, což zase umožňuje vědcům přesněji měřit vlastnosti, jako je hmotnost a rotace slučovaných objektů, stejně jako vzdálenost ke zdroji a úhel pozorování.
Nezbytné pro to byly přesné modely GW vytvořené ze splývajících černých děr, které poskytli výzkumníci z Institutu Alberta Einsteina. Tyto modely poprvé zahrnovaly jak precesi spinů černých děr, tak multipólové momenty za dominantním kvadrupólem – které byly klíčové pro měření jejich vlastností a provádění testů GR.
Grafika zobrazující hmotnosti černých děr detekovaných radiací a gravitačními vlnami. Kredit a ©: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern
Významnou roli v analýze signálu sehrály také vysoce výkonné počítačové clustery institutů „Minerva“ a „Hypatia“ v AEI Potsdam a „Holodeck“ v AEI Hannover. Podle Alessandry Buonanno, ředitelky divize „Astrofyzikální a kosmologická relativity“ v AEI, je tento typ jedinečného signálu něčím, co dvě předchozí pozorování nedokázala detekovat. Jak řekla:
„Během O1 a O2 jsme pozorovali špičku ledovce binární populace složené z černých děr hvězdné hmotnosti. Díky vylepšené citlivosti nám GW190412 začala odhalovat rozmanitější, ponořenou populaci, charakterizovanou hmotnostní asymetrií velkou jako 4 a černými dírami otáčejícími se na přibližně 40 % možné maximální hodnoty povolené obecnou teorií relativity.
Další důvod, proč tento druh pozorování nebyl dříve možný, souvisí s nedávnými modernizacemi všech detektorů v mezinárodní síti LIGO/Virgo. To zahrnuje novou techniku, kde jsou kvantově-mechanické vlastnosti laserů používaných společnostmi LIGO a Vigro „vytlačeny“, aby se zvýšila citlivost detektorů.
Snímek simulace ukazující binární černou díru vytvořenou ve středu husté hvězdokupy. Kredit: Severozápadní vizualizace/Carl Rodriguez
Tato technika byla průkopníkem německo-britských výzkumníků GEO600 detektor v jižním Hannoveru v Německu – navržený a provozovaný vědci z Institutu Maxe Plancka a několika evropských univerzit. Tato technika zlepšila citlivost detektoru GEO600 dvojnásobně a AEI je v čele celosvětového úsilí o další maximalizaci účinnosti techniky „stlačování světla“.
Když vědci z LIGO v roce zachytili první událost GW února 2016 , to signalizovalo nový věk v astronomii. Za něco málo přes čtyři roky, vylepšení jednotlivých detektorů a mezinárodní spolupráce zahájily éru, kdy jsou události detekovány každý týden.
S každou novou detekcí se dozvídáme více o exotické fyzice, která pohání náš vesmír. Nezapomeňte se podívat na tuto simulaci toho, jak vypadala fúze GW190412, s laskavým svolením Institutu Alberta Einsteina:
Další čtení: Institut Alberta Einsteina , LSC