За останні сім років учені з колаборації LIGO-Virgo (LVC) виявили 90 сигналів гравітаційних хвиль. Гравітаційні хвилі - це збурення в тканині простору-часу, які поширюються внаслідок грандіозних катаклізмів, таких, як злиття бінарних чорних дір.
Під час спостережень за 2019 рік, колаборація зареєструвала сигнали від 44 подій. Обробку отриманих даних було опубліковано у квітні 2022 року.
Однак під час дослідження вчені зіткнулися з викидами. Розширюючи пошук, астрофізики повторно вивчили дані і виявили 10 додаткових злиттів чорних дір, які перебувають за межами порогу виявлення початкового аналізу LVC.
Нові злиття натякають на екзотичні астрофізичні сценарії, які поки складно вивчити тільки за допомогою гравітаційно-хвильової астрономії.
"За допомогою гравітаційних хвиль ми починаємо спостерігати широкий спектр чорних дір, що злилися за останні кілька мільярдів років", - каже фізик Сет Ольсен, аспірант Принстонського університету.
За його словами, кожне спостереження робить внесок у наше розуміння того, як формуються та еволюціонують чорні діри.
"Ключ до їх розпізнавання - пошук ефективних способів відділення сигналів від шуму". Примітно, що спостереження зафіксували чорні діри великої і малої маси. Таким чином у астрономів з'явився цілий спектр явищ і джерел, які ще доведеться аналізувати довгі роки.
Проблеми моделей
Більшість моделей ядерної фізики припускають, що зірки не можуть колапсувати в чорні діри з масою, яка приблизно в 50-150 разів перевищує масу Сонця.
"Коли ми знаходимо чорну діру в цьому діапазоні мас, це говорить нам про те, що є ще щось, і це "щось" формує систему, - пояснює Ольсен. - Оскільки існує велика ймовірність того, що чорна діра у верхньому діапазоні мас є продуктом попереднього злиття".
Моделі ядерної фізики також припускають, що зірки з масою менше ніж дві сонячні стають нейтронними зірками, а не чорними дірами. Однак майже всі спостережувані астрономічні об'єкти були більш ніж у 5 разів більшими за масу Сонця.
Спостереження за маломасивними злиттями допомагають подолати теоретичний розрив між нейтронними зірками і найлегшими чорними дірами.
За словами Ольсена, для верхнього і нижнього масових проміжків уже було виявлено невелику кількість ЧД, але нові результати свідчать, що ці типи систем зустрічаються частіше, ніж ми думали.
Нові результати також включають систему, яку вчені ніколи не бачили раніше: важка чорна діра, що обертається в одному напрямку, поглинає набагато меншу чорну діру, яка оберталася навколо неї в протилежному напрямку.
"Обертання важчої чорної діри не зовсім протиспрямоване до орбіти, - каже Ольсен, - а скоріше нахилене десь між боком і догори ногами, що говорить нам про те, що ця система може походити з цікавої субпопуляції злиттів, де кути між орбітами і обертаннями чорних дір випадкові".
Ідентифікація таких подій, як злиття ЧД, вимагає стратегії, що дає змогу відрізняти значущі сигнали від фонового шуму в даних спостережень. Це не схоже на додатки для смартфонів, які можуть аналізувати музику - навіть якщо вона грає в галасливому громадському місці - і визначати, яка пісня звучить.
Подібно до того, як такий застосунок порівнює музику з базою даних шаблонів або частотних сигналів відомих пісень, програма для пошуку гравітаційних хвиль порівнює дані спостережень з каталогом відомих подій, наприклад, злиттів ЧД.
Щоб знайти 10 додаткових подій, Ольсен і його колеги проаналізували дані LVC за допомогою "конвеєра IAS" - методу, уперше розробленого в Інституті перспективних досліджень, очолюваного астрофізиком із Прінстона Матіасом Залдарріагою.
Конвеєр IAS двома важливими способами відрізняється від конвеєрів, використовуваних LVC.
По-перше, у ньому використовуються передові методи аналізу даних і чисельні методи для поліпшення обробки сигналів і ефективності обчислень, які використовуються LVC.
По-друге, він використовує статистичну методологію, яка жертвує деякою чутливістю до джерел, які, найімовірніше, знайдуть підходи LVC, щоб отримати чутливість до джерел, які, найімовірніше, пропустять підходи LVC, наприклад, чорних дір, що швидко обертаються.
Раніше Залдарріага і його команда використовували програму IAS для аналізу даних більш ранніх запусків LVC і аналогічним чином виявили злиття чорних дір, які були пропущені при аналізі першого запуску.
За словами Ольсена, неможливо змоделювати весь Всесвіт за допомогою обчислювальних засобів або навіть приголомшливо широкого спектра методів. Однак такі інструменти, як конвеєр IAS, за його словами, "можуть закласти основу для ще більш точних моделей у майбутньому".
За матеріалами Американського фізичного товариства
