LIGO- og Jomfru-detektorer fanger første gravitationsbølge fra binær sort hul-fusion med ulige masser

Forventningerne fra gravitationsbølgeforskningssamfundet er blevet opfyldt:gravitationsbølgeopdagelser er nu en del af deres daglige arbejde, som de har identificeret i det tidligere observationsforløb, O3, nye gravitationsbølgekandidater cirka en gang om ugen. Men nu, forskerne har offentliggjort et bemærkelsesværdigt signal i modsætning til nogen af ​​dem, der er set før:GW190412 er den første observation af en binær sort hul-sammensmeltning, hvor de to sorte huller har tydeligt forskellige masser på omkring 8 og 30 gange vores sols. Dette har ikke kun muliggjort mere præcise målinger af systemets astrofysiske egenskaber, men det har også gjort det muligt for LIGO/Jomfruens videnskabsmænd at verificere en hidtil uafprøvet forudsigelse af Einsteins generelle relativitetsteori.

"For allerførste gang har vi 'hørt' i GW190412 den umiskendelige gravitationsbølgebrum af en højere harmonisk, ligner overtoner af musikinstrumenter, " forklarer Frank Ohme, leder af den uafhængige Max Planck Research Group "Binary Merger Observations and Numerical Relativity" ved Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) i Hannover. "I systemer med ulige masser som GW190412 - vores første observation af denne type - er disse overtoner i gravitationsbølgesignalet meget højere end i vores sædvanlige observationer. Det er derfor, vi ikke kunne høre dem før, men i GW190412, vi kan endelig." Denne observation bekræfter endnu en gang Einsteins generelle relativitetsteori, som forudsiger eksistensen af ​​disse højere harmoniske, dvs. gravitationsbølger ved to eller tre gange den grundlæggende frekvens, der er observeret hidtil.

"De sorte huller i hjertet af GW190412 har 8 og 30 gange vores sols masse, henholdsvis. Dette er det første binære sorthulssystem, vi har observeret, hvor forskellen mellem masserne af de to sorte huller er så stor!" siger Roberto Cotesta, en ph.d. studerende i afdelingen "Astrophysical and Cosmological Relativity" ved AEI i Potsdam. "Denne store masseforskel betyder, at vi mere præcist kan måle flere egenskaber ved systemet:dets afstand til os, den vinkel vi ser på det, og hvor hurtigt det tunge sorte hul drejer rundt om sin akse."

Et signal som ingen før

GW190412 blev observeret af både LIGO-detektorer og Jomfru-detektoren den 12. april 2019, tidligt under detektorernes tredje observationskørsel O3. Analyser afslører, at fusionen skete i en afstand af 1,9 til 2,9 milliarder lysår fra Jorden. Det nye system med ulige masse er en unik opdagelse, da alle binære værdier observeret tidligere af LIGO- og Jomfru-detektorerne bestod af to nogenlunde ens masser.

Ulige masser præger sig på det observerede gravitationsbølgesignal, som igen giver videnskabsmænd mulighed for mere præcist at måle visse astrofysiske egenskaber ved systemet. Tilstedeværelsen af ​​højere harmoniske gør det muligt at bryde en tvetydighed mellem afstanden til systemet og den vinkel, vi ser på dets baneplan; derfor kan disse egenskaber måles med højere præcision end i systemer med lige masse uden højere harmoniske.

"Under O1 og O2, vi har observeret toppen af ​​isbjerget af den binære befolkning bestående af sorte huller med stjernemasse, " siger Alessandra Buonanno, direktør for afdelingen "Astrophysical and Cosmological Relativity" ved AEI i Potsdam og College Park professor ved University of Maryland. "Takket være den forbedrede følsomhed, GW190412 er begyndt at afsløre os en mere forskelligartet, nedsænket befolkning, kendetegnet ved masseasymmetri så stor som 4 og sorte huller, der spinder med omkring 40 % af den mulige maksimale værdi, der tillades af den generelle relativitetsteori, " tilføjer hun.

AEI-forskere bidrog til at opdage og analysere GW190412. De har leveret nøjagtige modeller af gravitationsbølgerne fra sammensmeltende sorte huller, der inkluderede, for første gang, både præcessionen af ​​de sorte hullers spins og multipol-momenter ud over den dominerende quadrupol. Disse egenskaber indprentet i bølgeformen var afgørende for at udtrække unik information om kildens egenskaber og udføre test af generel relativitet. De højtydende computerklynger "Minerva" og "Hypatia" ved AEI Potsdam og "Holodeck" ved AEI Hannover bidrog væsentligt til analysen af ​​signalet.

Test af Einsteins teori

LIGO/Jomfruens videnskabsmænd brugte også GW190412 til at lede efter afvigelser af signalerne fra, hvad Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger. Selvom signalet har egenskaber i modsætning til alle andre fundet hidtil, forskerne kunne ikke finde nogen signifikant afvigelse fra de generelt-relativistiske forudsigelser.

Et forbedret internationalt netværk af detektorer ved hjælp af klemt lys

Denne opdagelse er den anden rapporterede fra den tredje observationskørsel (O3) af det internationale gravitationsbølgedetektornetværk. Forskere ved de tre store detektorer har foretaget flere teknologiske opgraderinger af instrumenterne.

"Under O3, klemt lys blev brugt til at øge følsomheden af ​​LIGO og Jomfruen. Denne teknik til omhyggelig tuning af de kvantemekaniske egenskaber af laserlyset blev udviklet ved den tysk-britiske detektor GEO600, " forklarer Karsten Danzmann, direktør ved AEI Hannover og direktør for Institut for Gravitationsfysik ved Leibniz Universitet Hannover. "AEI leder den verdensomspændende indsats for at maksimere graden af ​​klemning, som allerede har forbedret GEO600-detektorens følsomhed med en faktor to. Vores fremskridt inden for denne teknologi vil gavne alle fremtidige gravitationsbølgedetektorer."

To færdige, 54 på to-do-listen

Detektornetværket har udstedt advarsler om 56 mulige gravitationsbølgehændelser (kandidater) i O3 (1. april, 2019 til 27. marts, 2020 med en afbrydelse for opgraderinger og idriftsættelse i oktober 2019). Ud af disse 56, et andet bekræftet signal, GW190425, er allerede offentliggjort. LIGO og Jomfruens forskere undersøger alle resterende 54 kandidater og vil offentliggøre alle dem, for hvilke detaljerede opfølgende analyser bekræfter deres astrofysiske oprindelse.

Observationen af ​​GW190412 betyder, at lignende systemer sandsynligvis ikke er så sjældne som forudsagt af nogle modeller. Derfor, med yderligere gravitationsbølgeobservationer og voksende begivenhedskataloger i fremtiden, flere sådanne signaler kan forventes. Hver af dem kunne hjælpe astronomer med bedre at forstå, hvordan sorte huller og deres binære systemer dannes, og kaste nyt lys over rumtidens grundlæggende fysik.