infos.ro

Un „buc” în detectoarele LIGO și Virgo semnalează cea mai masivă sursă de unde gravitaționale de până acum | Știri MIT

Jennifer Chu | MIT News Office,news.mit.edu

Cu toată golul său vast, universul fredonează de activitate sub formă de unde gravitaționale. Produse de fenomene astrofizice extreme, aceste reverberații se unduiesc și zguduie țesătura spațiu-timpului, ca zgomotul unui clopot cosmic.

Acum, cercetătorii au detectat un semnal de la ceea ce ar putea fi cea mai masivă fuziune a găurii negre observată până acum în undele gravitaționale. Produsul fuziunii este prima detecție clară a unei găuri negre de „masă intermediară”, cu o masă între 100 și 1.000 de ori mai mare decât cea a soarelui.

Ei au detectat semnalul, pe care l-au etichetat GW190521, pe 21 mai 2019, cu Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), o pereche de interferometre identice, lungi de 4 kilometri din Statele Unite ale Americii; și Virgo, un detector de 3 kilometri în Italia.

Semnalul, care seamănă cu aproximativ patru mișcări scurte, are o durată extrem de scurtă, durând mai puțin de o zecime de secundă. Din ceea ce pot spune cercetătorii, GW190521 a fost generat de o sursă aflată la aproximativ 5 gigaparsec distanță, când universul avea aproximativ jumătate din vârsta sa, ceea ce îl face una dintre cele mai îndepărtate surse de unde gravitaționale detectate până acum.

În ceea ce privește ceea ce a produs acest semnal, bazat pe o suită puternică de instrumente de calcul și modelare de ultimă generație, oamenii de știință cred că GW190521 a fost cel mai probabil generat de o fuziune binară a găurii negre cu proprietăți neobișnuite.

Aproape fiecare semnal de unde gravitaționale confirmat până în prezent provine dintr-o fuziune binară, fie între două găuri negre, fie între două stele neutronice. Această nouă fuziune pare a fi cea mai masivă de până acum, implicând două găuri negre inspiratoare cu mase de aproximativ 85 și 66 de ori masa soarelui.

Echipa LIGO-Virgo a măsurat, de asemenea, rotația fiecărei găuri negre și a descoperit că, pe măsură ce găurile negre se învârteau din ce în ce mai aproape, ele s-ar fi putut învârti în jurul propriilor axe, la unghiuri care nu erau aliniate cu axa orbitei lor. Rotirile nealiniate ale găurilor negre au cauzat probabil că orbitele lor se clătină sau „precesează”, în timp ce cei doi Goliați s-au îndreptat în spirală unul spre celălalt.

Noul semnal reprezintă probabil momentul în care cele două găuri negre s-au unit. Fuziunea a creat o gaură neagră și mai masivă, de aproximativ 142 de mase solare, și a eliberat o cantitate enormă de energie, echivalentă cu aproximativ 8 mase solare, răspândită în univers sub formă de unde gravitaționale.

„Acesta nu seamănă prea mult cu un ciripit, care este ceea ce detectăm în mod obișnuit”, spune Nelson Christensen, membru al Fecioarei, cercetător la Centrul Național de Cercetare Științifică din Franța (CNRS), comparând semnalul cu prima detectare a undelor gravitaționale de către LIGO în 2015. „Acesta seamănă mai mult cu ceva care se numește „bang” și este cel mai masiv semnal pe care l-au văzut LIGO și Fecioara.”

Echipa internațională de oameni de știință, care formează LIGO Scientific Collaboration (LSC) și Virgo Collaboration, și-a raportat descoperirile în două lucrări publicate astăzi. Unul, care apare în Scrisori de revizuire fizicădetaliază descoperirea, iar celălalt, în Scrisorile din jurnalul astrofizic, discută proprietățile fizice ale semnalului și implicațiile astrofizice.

„LIGO ne surprinde din nou nu doar prin detectarea găurilor negre cu dimensiuni greu de explicat, ci și prin utilizarea tehnicilor care nu au fost concepute special pentru fuziuni stelare”, spune Pedro Marronetti, director de program pentru fizica gravitațională la National Science. Fundație. „Acest lucru este de o importanță extraordinară, deoarece arată capacitatea instrumentului de a detecta semnale de la evenimente astrofizice complet neprevăzute. LIGO arată că poate observa și neașteptele.”

În decalajul de masă

Masele unic de mari ale celor două găuri negre inspiratoare, precum și găurile negre finale, ridică o serie de întrebări cu privire la formarea lor.

Toate găurile negre observate până în prezent se încadrează în oricare dintre cele două categorii: găurile negre cu masă stelară, care măsoară de la câteva mase solare până la zeci de mase solare și se crede că se formează atunci când stelele masive mor; sau găuri negre supermasive, cum ar fi cea din centrul galaxiei Calea Lactee, care sunt de la sute de mii, la miliarde de ori mai mult decât soarele nostru.

Cu toate acestea, gaura neagră finală de 142 de masă solară produsă de fuziunea GW190521 se află într-un interval de masă intermediar între găurile negre de masă stelare și supermasive – prima de acest fel detectată vreodată.

Cele două găuri negre progenitoare care au produs gaura neagră finală par să fie, de asemenea, unice prin dimensiunea lor. Sunt atât de masive încât oamenii de știință bănuiesc că una sau ambele nu s-au format dintr-o stea care se prăbușește, așa cum fac majoritatea găurilor negre cu masă stelară.

Conform fizicii evoluției stelare, presiunea exterioară a fotonilor și a gazului din miezul unei stele o susține împotriva forței gravitaționale care se împinge spre interior, astfel încât steaua să fie stabilă, ca soarele. După ce nucleul unei stele masive fuzionează nuclee grele ca fierul, nu mai poate produce suficientă presiune pentru a susține straturile exterioare. Când această presiune exterioară este mai mică decât gravitația, steaua se prăbușește sub propria greutate, într-o explozie numită supernova de colaps al miezului, care poate lăsa în urmă o gaură neagră.

Acest proces poate explica modul în care stelele cu o greutate de 130 de mase solare pot produce găuri negre de până la 65 de mase solare. Însă pentru stelele mai grele, se crede că are loc un fenomen cunoscut sub numele de „instabilitatea perechii”. Când fotonii nucleului devin extrem de energici, se pot transforma într-o pereche de electroni și antielectroni. Aceste perechi generează mai puțină presiune decât fotonii, ceea ce face ca steaua să devină instabilă împotriva colapsului gravitațional, iar explozia rezultată este suficient de puternică pentru a nu lăsa nimic în urmă. Stele și mai masive, de peste 200 de mase solare, s-ar prăbuși în cele din urmă direct într-o gaură neagră de cel puțin 120 de mase solare. O stea care se prăbușește, așadar, nu ar trebui să fie capabilă să producă o gaură neagră între aproximativ 65 și 120 de mase solare – un interval cunoscut sub numele de „decalajul de masă al instabilității perechii”.

Dar acum, cea mai grea dintre cele două găuri negre care au produs semnalul GW190521, la 85 de mase solare, este prima detectată până acum în decalajul de masă al instabilității perechii.

„Faptul că vedem o gaură neagră în acest decalaj de masă îi va face pe mulți astrofizicieni să se scarpine în cap și să încerce să-și dea seama cum au fost făcute aceste găuri negre”, spune Christensen, care este directorul Laboratorului Artemis la Observatorul de la Nisa din Franța.

O posibilitate, pe care cercetătorii o iau în considerare în cea de-a doua lucrare, este a unei fuziuni ierarhice, în care cele două găuri negre progenitoare s-ar fi putut forma prin fuziunea a două găuri negre mai mici, înainte de a migra împreună și, în cele din urmă, a fuziona.

„Acest eveniment deschide mai multe întrebări decât oferă răspunsuri”, spune membrul LIGO Alan Weinstein, profesor de fizică la Caltech. „Din perspectiva descoperirii și a fizicii, este un lucru foarte interesant.”

„Ceva neașteptat”

Au rămas multe întrebări legate de GW190521.

Pe măsură ce detectoarele LIGO și Virgo ascultă undele gravitaționale care trec prin Pământ, căutările automate parcurg datele primite pentru semnale interesante. Aceste căutări pot folosi două metode diferite: algoritmi care identifică modele de undă specifice în datele care ar fi putut fi produse de sisteme binare compacte; și căutări „în explozie” mai generale, care caută în esență orice ieșit din comun.

Membru LIGO Salvatore Vitale, profesor asistent de fizică la MIT, compară căutările binare compacte cu „trecerea unui pieptene prin date, care va prinde lucrurile la o anumită distanță”, spre deosebire de căutările în rafală care sunt mai mult o abordare „catch-all”. .

În cazul lui GW190521, a fost o căutare în rafală care a captat semnalul puțin mai clar, deschizând șansa foarte mică ca undele gravitaționale să apară din altceva decât o fuziune binară.

„Ștacheta pentru a afirma că am descoperit ceva nou este foarte ridicată”, spune Weinstein. „Deci aplicăm de obicei aparatul de ras Occam: soluția mai simplă este cea mai bună, care în acest caz este o gaură neagră binară.”

Dar dacă ceva cu totul nou ar produce aceste unde gravitaționale? Este o perspectivă tentantă, iar în lucrarea lor, oamenii de știință iau în considerare pe scurt alte surse din univers care ar fi putut produce semnalul pe care l-au detectat. De exemplu, poate undele gravitaționale au fost emise de o stea care se prăbușește în galaxia noastră. Semnalul ar putea proveni și de la un șir cosmic produs imediat după ce universul s-a umflat în primele sale momente – deși niciuna dintre aceste posibilități exotice nu se potrivește cu datele, precum și cu o fuziune binară.

„De când am pornit prima dată LIGO, tot ceea ce am observat cu încredere a fost o coliziune a găurilor negre sau a stelelor neutronice”, spune Weinstein. „Acesta este singurul eveniment în care analiza noastră permite posibilitatea ca acest eveniment să nu fie o astfel de coliziune. Deși acest eveniment este în concordanță cu faptul că provine dintr-o fuziune excepțional de masivă a unei găuri negre binare, iar explicațiile alternative sunt defavorizate, el depășește limitele încrederii noastre. Și asta îl poate face extrem de interesant. Pentru că cu toții am sperat la ceva nou, ceva neașteptat, care ar putea provoca ceea ce am învățat deja. Acest eveniment are potențialul de a face asta.”

Această cercetare a fost finanțată de Fundația Națională pentru Știință din SUA.

Sursa articol

You might also like