П'ять незвичайних фактів про чорні діри, які «побачила» обсерваторія LIGO

14 вересня 2015 року, всього через кілька днівпісля першого включення LIGO, через Землю пройшла гравітаційна хвиля. Подібно мільярдам подібних хвиль, які проходили через Землю на протязі її історії, ця була породжена закручуванням, злиттям і зіткненням двох масивних наддалеких об'єктів далеко за межами нашої галактики. З відстані понад мільярд світлових років ми отримали сигнал про злиття двох чорних дір. Сигнал, рухаючись на швидкості світла, нарешті досяг Землі.

І в цей раз ми були готові. Подвійні детектори LIGO побачили, як їх рукава розширилися і стиснулися на субатомну величину, але цього було достатньо для того, щоб лазерний промінь зрушився і справив очевидна зміна інтерференційної картинки. Вперше ми виявили гравітаційну хвилю. Три роки по тому ми вже виявили одинадцять таких, десять з яких прийшли від чорних дір. Ось, що ми дізналися.

Було два «прогону» даних LIGO: перший з 12 вересня 2015 року по 19 січня 2016 року і другий, з поліпшеною чутливістю, з 30 листопада 2016 року по 25 серпня 2017 року. Останній запуск, зокрема, проходив спільно з детектором VIRGO в Італії, який додав не тільки третій детектор, але і значно поліпшив нашу здатність відзначати місце появи цих гравітаційних хвиль. LIGO в даний час не працює, закрита на ремонт з оновленнями, які зроблять її ще більш чутливою. Новий сеанс збору даних повинен початися навесні 2019 року.

30 листопада наукова колаборація LIGO оприлюднила результати свого поліпшеного аналізу, який чутливий до останніх стадіях злиття об'єктів з масою від 1 до 100 сонячних.

З 11 виявлень, які були зроблені дотеперішнього часу, 10 представляють злиття чорних дір, і тільки GW170817 представляє злиття нейтронних зірок. Злиття нейтронних зірок відбувалося ближче всіх до нас - всього в 130-140 мільйонів світлових років. Найпотужніший злиття - GW170729 - ми почули з відстані в 9 мільярдів років.

Два цих виявлення представляють також самелегке і найважче злиття з утворенням гравітаційних хвиль: в GW170817 зіткнулися нейтронні зірки масою в 1,46 і 1,27 сонячних, а в GW170729 зіткнулися чорні діри з масою в 50,6 і 34,3 сонячних мас.

Перед вами п'ять дивовижних фактів, які ми дізналися, завдяки всім цим виявлення.

зміст

• 1 # 1. Велике не завжди видно краще
• 2 # 2. Більше детекторів - краще
• 3 # 3. Злиття чорних дір осяває Всесвіт
• 4 # 4. Генератори енергії
• 5 # 5. Більше менших - скоро

# 1. Велике не завжди видно краще

Найбільші злиття чорних дір найпростішепобачити - і вони не більше 50 сонячних мас. Гравітаційні хвилі хороші тим, що їх простіше розгледіти здалеку, ніж джерело світла. Світло втрачає яскравість пропорційно квадрату відстані: зірка, яка в десять разів далі, буде в сто разів тьмяніше. Але гравітаційні хвилі затухають прямо пропорційно відстані: чорні діри, які будуть на такій відстані, справлять 1/10, а не 1/100 силу сигналу.

В результаті цього ми можемо побачити дужемасивні об'єкти на дуже великих відстанях, але при цьому не бачимо чорних дір, які зливаються при 75, 100, 150 або 200 + сонячних масах. Від 20 до 50 сонячних мас - цілком поширені, але вище цього ми поки нічого не бачили. Можливо, чорні діри, що народжуються з надмасивних зірок дійсно є рідкістю.

# 2. Більше детекторів - краще

Додавання третього детектора одночаснопокращує здатність визначати позиції об'єктів і збільшує частоту виявлення. LIGO пропрацювала близько 4 місяців під час першого запуску і 9 місяців під час другого. Проте, половина їх виявлень припала на останній місяць: разом з нею працювала VIRGO. У 2017 році гравітаційно-хвильові події були виявлені в ці дні:

• 29 липня (чорні діри сонячних мас 50.6 і 34.3),
• 9 серпня (чорні діри сонячних мас 35.2 і 23.8),
• 14 серпня (чорні діри сонячних мас 30.7 і 25.3),
• 17 серпня (нейтронні зірки сонячних мас 1.46 і 1.27),
• 18 серпня (чорні діри сонячних мас 35.5 і 26.8),
• 23 серпня (чорні діри сонячних мас 39.6 і 29.4).

Під час цього останнього місяця спостережень мизнаходили злиття частіше, ніж раз на тиждень. Може бути, коли ми станемо чутливими до великих відстаней і сигналам менших амплітуд і мас, ми почнемо бачити по одній події в день в 2019 році.

# 3. Злиття чорних дір осяває Всесвіт

Коли чорні діри, які ми знаходили,стикалися, вони вивільняли більше енергії на піку, ніж всі зірки у Всесвіті разом узяті. Наше Сонце - це стандарт, який формує наш погляд на інші зірки. Воно сяє настільки яскраво, що його спільне вироблення енергії - 4 х одна тисяча двадцять шість Вт - еквівалентна перетворенню чотирьох мільйонів тонн матерії в чисту енергію щомиті.

При оцінці ~ 1023 зірок в спостережуваному Всесвіті,загальна вихідна потужність всіх зірок, сяючих в небі, перевищує 1049 Вт в будь-який момент часу: величезна кількість енергії поширюється по всьому космосу. Але протягом декількох мілісекунд під час піку злиття подвійних чорних дірок, кожне з 10 спостережуваних подій, з точки зору енергії, затьмарило всі зірки у Всесвіті разом узяті. (Хоча це кількість відносно невелика). Не дивно, що найпотужніші злиття очолили цей список.

# 4. Генератори енергії

Близько 5% загальної маси обох чорних дірперетворилося в чисту енергію за формулою Ейнштейна E = mc2 під час цих злиттів. Брижі в космосі, яку виробляють ці злиття чорних дір, повинна звідкись отримувати енергію і якимось чином повинна виходити з маси самих зливаються чорних дір. В середньому, виходячи з величини сигналів гравітаційних хвиль, які ми бачили, і відновлених відстаней до них, чорні діри втрачають близько 5% своєї загальної маси, яка перетворюється в гравітаційно-хвильову енергію, при злитті.

• GW170608, злиття чорних дір з найнижчою масою, перетворило 0,9 сонячної маси в енергію.
• GW150914, перше сяйво чорних дір, перетворило 3,1 сонячної маси в енергію.
• GW170729, найпотужніший злиття чорних дір, перетворило 4,8 сонячної маси в енергію.

Ці події, які породжують брижі впросторі-часі, являють собою самі енергійні події, відомі з часів Великого Вибуху. Вони виробляють більше енергії, ніж будь-який злиття нейтронних зірок, гамма-сплески або наднові.

# 5. Більше менших - скоро

З усім, що ми до цього часу побачили,можна очікувати, що ми побачимо злиття чорних дір з меншою масою і більшою частотою. Найпотужніші злиття чорних дір виробляють сигнали з найбільшою амплітудою, тому їх легше всього виявити. Але з урахуванням того, як пов'язані обсяг і відстань, вдвічі більша дистанція означає в вісім разів більший обсяг. Чим дошкульніше стає LIGO, тим легше виявляти масивні об'єкти на великих відстанях, ніж маломасивні об'єкти поблизу.

Ми знаємо, що існують чорні діри в 7, 10, 15або 20 сонячних мас, але LIGO простіше виявити більш масивну чорну діру подалі. Ми очікуємо, що існують подвійні чорні діри з незбіжними масами: одна з них буде набагато масивніше іншого. У міру того, як поліпшується наша чутливість, ми очікуємо, що їх буде більше, але найпростіше буде знайти найпотужніші. Ми очікуємо, що найпотужніші з них будуть домінувати в перших виявленнях, так само, як «гарячі юпітери» домінували в перших пошуках екзопланет. У міру того, як ми будемо покращувати процес пошуку, ми будемо знаходити більше чорних дір з меншою масою.

Коли було оголошено про виявлення першоїгравітаційної хвилі, разом з цим народилася гравітаційно-хвильова астрономія. Люди порівнювали цю подію з тим, коли Галілей вперше направив свій телескоп на небеса, проте в дійсності це набагато більше. Наче наші небеса були покриті хмарами, і ми вперше розробили пристрій, що дозволяє побачити крізь них досить яскравий джерело гравітації: злиття чорних дір або нейтронних зірок. Майбутнє гравітаційно-хвильової астрономії обіцяє перевернути наше уявлення про Всесвіт, показати її в новому світлі. І це майбутнє вже прибуло.

Чи готові пожинати його плоди? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.