Od czasu wykrycia w 2015 roku pierwszego zdarzenia połączenia się dwóch czarnych dziur, detektory LIGO/Virgo zaobserwowały do końca września 2019 roku łącznie 47 pewnych zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Co kryje się za tymi zdarzeniami? Drugi katalog fal grawitacyjnych jest już oficjalnie dostępny – i statystyki populacji także są!
Nowy katalog
W ostatnich latach detektory Advanced LIGO w Hanford (WA) i Livingston (LA) oraz detektor Advanced Virgo w Europie czuwały nad poszukiwaniem zmarszczek w czasoprzestrzeni, które dają nam znać, że para zwartych obiektów – czarnych dziur lub gwiazd neutronowych – wpadła w spiralę i się połączyła.
Podczas dwóch pierwszych biegów obserwacyjnych LIGO (O1 w latach 2015-16 i O2 w latach 2016-17) dwa detektory LIGO wykryły 11 przypadków połączeń. Po serii modernizacji detektorów, system powrócił do sieci w kwietniu 2019 roku na trzeci bieg (O3). W ciągu zaledwie 26 pierwszych tygodni pracy (O3a), LIGO/Virgo wspólnie odkryły kolejnych 36 połączeń.
W nowej publikacji zespół naukowców przedstawił drugi katalog zdarzeń fal grawitacyjnych (GWTC-2), który zawiera dane z O1, O2 i O3a. W towarzyszącej publikacji w Astrophysical Journal Letters, zespół przeanalizował szerszy zestaw wszystkich 47 zderzeń w katalogu, używając modeli populacyjnych, aby uzyskać głębszy wgląd we właściwości układów podwójnych oraz sposób formowania się i ewolucji tych układów.
Nauka o zderzeniach
Czego więc dowiedzieliśmy się od populacji GWTC-2?
- Masa czarnej dziury jest bardziej skomplikowana niż wcześniej sądziliśmy.
Wszystkie łączące się czarne dziury w O1 i O2 miały masy pierwotne poniżej 45 mas Słońca, co jest zgodne z teorią, że czarne dziury o masach ~50-200 mas Słońca nie powinny być w stanie się uformować. Jednak O3a zawiera kilka czarnych dziur o masie pierwotnej powyżej 45 mas Słońca, więc nie możemy już modelować rozkładu masy pierwotnej jako pojedynczego prawa siły z ostrym odcięciem przy 45 masach Słońca. Może to sugerować, że patrzymy na różne populacje czarnych dziur, które uformowały się na różny sposób. - Niektóre czarne dziury mają spiny, które nie są zgodne z momentem pędu układu podwójnego.
Dziewięć z ostatnio wykrytych obiektów wykazuje niewłaściwe spiny, co jest kolejną wskazówką na temat ich powstawania. Okazuje się, że podwójne czarnych dziur, które powstają i ewoluują w izolowanych parach będą miała podobne spiny, podczas gdy układy podwójne czarnych dziur tworzących się dynamicznie – na przykład w wyniku oddziaływań w gromadach gwiazd lub w dysku galaktyki aktywnej – powinny mieć izotropowo rozłożone spiny. Autorzy artykułu pokazują, że wirująca populacja GWTC-2 jest zgodna z 25-93% czarnych dziur tworzących się dynamicznie. To duży zakres, ale ważne jest to, że wskazuje to również na istnienie więcej niż jednego kanału formowania się! - Tempo łączenia się czarnych dziur prawdopodobnie wzrasta wraz z przesunięciem ku czerwieni.
Uaktualnione szacunki sugerują, że podwójne czarne dziury łączą się w tempie 15-38 zdarzeń na gigaparsek sześcienny na rok, a podwójne gwiazdy neutronowe w tempie 80-810 zdarzeń na gigaparsek sześcienny na rok. Tempo fuzji wydaje się być wyższe przy wyższym przesunięciu ku czerwieni, ale ten wzrost nie dokładnie odpowiada znanemu wzrostowi tempa powstawania gwiazd z przesunięciem ku czerwieni.
Przed nami wspaniała zabawa
Te wnioski wyraźnie oznaczają ogromny wzrost naszego zrozumienia tego, jak i gdzie tworzą się i ewoluują układy podwójne czarnych dziur – ale wciąż mamy tak wiele do nauczenia się! Na szczęście przed nami jest jeszcze mnóstwo danych: zespół analizuje obecnie ostatnie 5 miesięcy danych z O3, a detektory są teraz modernizowane w ramach przygotowań do O4, który ma ruszyć w 2022 roku.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
AAS
Na ilustracji: Kadr z symulacji pokazującej, jak czarne dziury mogą oddziaływać na siebie w chaotycznych jądrach gromad kulistych. Źródło: Carl Rodriguez/Northwestern Visualization.