Et brag i LIGO- og Jomfru-detektorer signalerer den hidtil mest massive gravitationsbølgekilde

Trods al dens enorme tomhed, universet brummer af aktivitet i form af gravitationsbølger. Fremstillet af ekstreme astrofysiske fænomener, disse efterklanger bølger frem og ryster rum-tidens stof, som lyden af ​​en kosmisk klokke.

Nu har forskere opdaget et signal fra, hvad der kan være den mest massive sorte hul-fusion, der hidtil er observeret i gravitationsbølger. Produktet af fusionen er den første tydelige påvisning af et sort hul med "mellemmasse", med en masse mellem 100 og 1, 000 gange solens.

De opdagede signalet, som de har mærket GW190521, den 21. maj, 2019, med National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), et par identiske, 4-kilometer lange interferometre i USA; og jomfruen, en 3 kilometer lang detektor i Italien.

Signalet, ligner omkring fire korte vrikker, er ekstremt kort i varighed, varer mindre end en tiendedel af et sekund. Ud fra hvad forskerne kan fortælle, GW190521 blev genereret af en kilde, der er omkring 5 gigaparsec væk, da universet var omkring halvdelen af ​​dets alder, hvilket gør det til en af ​​de fjerneste gravitationsbølgekilder, der er opdaget hidtil.

Med hensyn til, hvad der frembragte dette signal, baseret på en kraftfuld pakke af state-of-the-art beregnings- og modelleringsværktøjer, videnskabsmænd mener, at GW190521 højst sandsynligt blev genereret af en binær sort hul-fusion med usædvanlige egenskaber.

Næsten alle bekræftede gravitationsbølgesignaler til dato har været fra en binær fusion, enten mellem to sorte huller eller to neutronstjerner. Denne nyeste fusion ser ud til at være den mest massive hidtil, involverer to inspirerende sorte huller med masser omkring 85 og 66 gange solens masse.

LIGO-Virgo-holdet har også målt hvert sort huls spin og opdaget, at da de sorte huller cirklede stadig tættere sammen, de kunne have snurret om deres egne økser, i vinkler, der ikke var på linje med deres banes akse. De sorte hullers forkert justerede spin fik sandsynligvis deres baner til at vakle, eller "pres, ", da de to Goliater spiralerede mod hinanden.

Det nye signal repræsenterer sandsynligvis det øjeblik, hvor de to sorte huller smeltede sammen. Fusionen skabte et endnu mere massivt sort hul, af omkring 142 solmasser, og frigivet en enorm mængde energi, svarende til omkring 8 solmasser, spredt ud over universet i form af gravitationsbølger.

"Dette ligner ikke meget en kvidren, hvilket er hvad vi typisk opdager, " siger Jomfru-medlem Nelson Christensen, en forsker ved det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS), sammenligner signalet med LIGO's første detektion af gravitationsbølger i 2015. "Dette er mere som noget, der går 'bang', ' og det er det mest massive signal, LIGO og Jomfruen har set."

Det internationale hold af forskere, som udgør LIGO Scientific Collaboration (LSC) og Jomfrusamarbejdet, har rapporteret deres resultater i to papirer offentliggjort i dag. En, optræder i Fysiske anmeldelsesbreve , detaljer om opdagelsen, og den anden, i The Astrophysical Journal Letters , diskuterer signalets fysiske egenskaber og astrofysiske implikationer.

"LIGO overrasker os endnu en gang ikke kun med påvisningen af ​​sorte huller i størrelser, der er svære at forklare, men gør det ved hjælp af teknikker, der ikke var designet specifikt til stjernernes fusioner, " siger Pedro Marronetti, programdirektør for gravitationsfysik ved National Science Foundation. "Dette er af enorm betydning, da det viser instrumentets evne til at detektere signaler fra helt uforudsete astrofysiske hændelser. LIGO viser, at det også kan observere det uventede."

I massegabet

De unikke store masser af de to inspirerende sorte huller, samt det sidste sorte hul, rejser en række spørgsmål vedrørende deres dannelse.

Alle de sorte huller, der er observeret til dato, passer inden for en af ​​to kategorier:sorte huller med stjernemasse, som måler fra nogle få solmasser op til snesevis af solmasser og menes at dannes, når massive stjerner dør; eller supermassive sorte huller, såsom den i centrum af Mælkevejsgalaksen, der er fra hundredtusindvis, til milliarder af gange vores sols.

Imidlertid, det sidste sorte hul på 142 solmasser produceret af GW190521-fusionen ligger inden for et mellemliggende masseområde mellem stjernemasse og supermassive sorte huller - det første af sin slags nogensinde opdaget.

De to progenitor sorte huller, der producerede det sidste sorte hul, ser også ud til at være unikke i deres størrelse. De er så massive, at forskere har mistanke om, at den ene eller begge af dem ikke er dannet fra en kollapsende stjerne. som de fleste sorte huller med stjernemasse gør.

Ifølge stjerneudviklingens fysik, udadgående tryk fra fotonerne og gassen i en stjernes kerne understøtter den mod tyngdekraften, der skubber indad, så stjernen er stabil, ligesom solen. Efter at kernen af ​​en massiv stjerne smelter sammen kerner så tunge som jern, det kan ikke længere producere nok tryk til at understøtte de ydre lag. Når dette udadgående tryk er mindre end tyngdekraften, stjernen kollapser under sin egen vægt, i en eksplosion kaldet en kerne-kollaps supernova, der kan efterlade et sort hul.

Denne proces kan forklare, hvordan stjerner så massive som 130 solmasser kan producere sorte huller, der er op til 65 solmasser. Men for tungere stjerner, et fænomen kendt som "par ustabilitet" menes at slå ind. Når kernens fotoner bliver ekstremt energiske, de kan omdannes til et elektron- og antielektronpar. Disse par genererer mindre tryk end fotoner, får stjernen til at blive ustabil mod gravitationssammenbrud, og den resulterende eksplosion er stærk nok til at efterlade intet. Endnu mere massive stjerner, over 200 solmasser, ville til sidst kollapse direkte i et sort hul på mindst 120 solmasser. En kollapsende stjerne, derefter, bør ikke være i stand til at producere et sort hul mellem ca. 65 og 120 solmasser - et område, der er kendt som "pair instability masse gap."

Men nu, det tungeste af de to sorte huller, der producerede GW190521-signalet, ved 85 solmasser, er den første hidtil detekteret inden for parrets ustabilitetsmassegab.

"Det faktum, at vi ser et sort hul i denne massekløft, vil få en masse astrofysikere til at klø sig i hovedet og prøve at finde ud af, hvordan disse sorte huller blev lavet, siger Christensen, der er direktør for Artemis-laboratoriet ved Nice-observatoriet i Frankrig.

En mulighed, som forskerne overvejer i deres anden artikel, er af en hierarkisk fusion, hvor de to progenitor sorte huller selv kan være dannet fra sammensmeltningen af ​​to mindre sorte huller, før de migrerer sammen og til sidst fusionerer.

"Denne begivenhed åbner flere spørgsmål, end den giver svar, " siger LIGO-medlem Alan Weinstein, professor i fysik ved Caltech. "Fra perspektivet af opdagelse og fysik, det er en meget spændende ting."

"Noget uventet"

Der er mange tilbageværende spørgsmål vedrørende GW190521.

Mens LIGO- og Jomfru-detektorer lytter efter gravitationsbølger, der passerer gennem Jorden, automatiserede søgninger finkæmmer de indkommende data efter interessante signaler. Disse søgninger kan bruge to forskellige metoder:Algoritmer, der udvælger specifikke bølgemønstre i de data, der kan være produceret af kompakte binære systemer; og mere generelle "burst"-søgninger, som i det væsentlige leder efter noget ud over det sædvanlige.

LIGO medlem Salvatore Vitale, assisterende professor i fysik ved MIT, sammenligner kompakte binære søgninger med "passer en kam gennem data, der vil fange ting i en vis afstand, " i modsætning til burst-søgninger, der mere er en "catch-all"-tilgang.

I tilfældet med GW190521, det var en burst-søgning, der fangede signalet lidt tydeligere, åbner den meget lille chance for, at gravitationsbølgerne opstod fra noget andet end en binær fusion.

"Baren for at hævde, at vi har opdaget noget nyt, er meget høj, " siger Weinstein. "Så vi bruger typisk Occams barbermaskine:Den enklere løsning er den bedre, som i dette tilfælde er et binært sort hul."

Men hvad nu hvis noget helt nyt producerede disse gravitationsbølger? Det er en fristende udsigt, og i deres papir overvejer forskerne kort andre kilder i universet, der kunne have produceret det signal, de opdagede. For eksempel, måske blev gravitationsbølgerne udsendt af en kollapsende stjerne i vores galakse. Signalet kunne også være fra en kosmisk streng, der blev produceret lige efter, at universet var oppustet i dets tidligste øjeblikke - selvom ingen af ​​disse eksotiske muligheder matcher dataene såvel som en binær fusion.

"Siden vi først tændte for LIGO, alt, hvad vi har observeret med tillid, har været en kollision af sorte huller eller neutronstjerner, " Weinstein siger "Dette er den ene begivenhed, hvor vores analyse tillader muligheden for, at denne begivenhed ikke er sådan en kollision. Selvom denne begivenhed er i overensstemmelse med at være fra en usædvanlig massiv binær sort hul-fusion, og alternative forklaringer er i modstrid, det rykker grænserne for vores tillid. Og det gør det potentielt meget spændende. Fordi vi alle har håbet på noget nyt, noget uventet, som kunne udfordre det, vi allerede har lært. Denne begivenhed har potentialet til at gøre det."