Детекторы LIGO и Virgo уловили первую гравитационную волну от слияния двойной черной дыры с неравными массами

GW190412 - это первое наблюдение слияния бинарных черных дыр, когда две черные дыры имеют совершенно разные массы, примерно в 8 и 30 раз больше нашего Солнца. Это не только позволило более точно измерить астрофизические свойства системы, но и позволило ученым LIGO/Virgo проверить до сих пор непроверенный прогноз Теории общей относительности Эйнштейна.

«Впервые в GW190412 мы «услышали» безошибочный гравитационно-волновой гул высшей гармоники, похожий на обертоны музыкальных инструментов», - объясняет Фрэнк Оме, руководитель исследовательской группы Института гравитационной физики Общества Макса Планка (AEI). «В системах с неравными массами, таких как GW190412 - наше первое наблюдение такого типа - эти обертоны в сигнале гравитационной волны намного громче, чем в обычных наблюдениях. Вот почему мы не могли слышать их раньше». Это наблюдение еще раз подтверждает Теорию общей относительности Эйнштейна, которая предсказывает существование гравитационных волн в 2 или 3 раза превышающих основную частоту, наблюдаемую до сих пор.

«Черные дыры в основе GW190412 больше массу нашего Солнца в 8 и 30 раз. Это первая обнаруженная нами система двух черных дыр, для которой разница между массами черных дыр настолько велика!» говорит Роберто Котеста из Института гравитационной физики Общества Макса Планка (AEI). «Эта большая разница в массе означает, что мы можем более точно измерить несколько свойств системы: ее расстояние до нас, угол, под которым мы смотрим на нее, и как быстро тяжелая черная дыра вращается вокруг своей оси».

GW190412 был обнаружен как детекторами LIGO, так и детектором Virgo 12 апреля 2019 года, в начале третьего наблюдения детекторов O3. Анализ показывает, что слияние произошло на расстоянии от 1,9 до 2,9 миллиардов световых лет от Земли. Новая система неравных масс является уникальным открытием, поскольку все двойные черные дыры, обнаруженные ранее детекторами LIGO и Virgo, состояли из двух примерно одинаковых масс.

Неравные массы накладывают отпечаток на наблюдаемый гравитационно-волновой сигнал, что позволяет ученым более точно измерять некоторые астрофизические свойства системы. Наличие высших гармоник позволяет преодолеть неоднозначность между расстоянием до системы и углом, под которым мы смотрим на ее орбитальную плоскость; следовательно, эти свойства могут быть измерены с большей точностью.

«Во время O1 и O2 мы наблюдали лишь малую часть системы, состоящей из черных дыр звездной массы», - говорит Алессандра Буонанно из Института гравитационной физики Общества Макса Планка (AEI). «Благодаря улучшенной чувствительности, GW190412 начал раскрывать нам более разнообразную информацию о системе, характеризующуюся разницей масс до 4 и вращающимися черными дырами со скоростью около 40% от возможного максимального значения, допускаемого общей теорией относительностью».

Исследователи предоставили точные модели гравитационных волн от сливающихся черных дыр, которые впервые включали как прецессию вращения черных дыр, так и мультипольные моменты за доминирующим квадруполем. Эти особенности, запечатленные в форме волны, были важны для извлечения уникальной информации о свойствах источника и проведения испытаний Общей теории относительности. Высокопроизводительные кластеры Minerva, Hypatia и Holodeck в AEI внесли значительный вклад в анализ сигнала.

Ученые LIGO/Virgo также использовали GW190412 для поиска отклонений сигналов от того, что предсказывает Общая теория относительности Эйнштейна. Несмотря на то, что сигнал обладает отличительными свойствами, исследователи не смогли найти существенного отклонения от общих релятивистских предсказаний.

Это открытие является вторым сообщением из третьей серии наблюдений (O3) международной сети детекторов гравитационных волн. Ученые трех больших детекторов сделали несколько технологических обновлений приборов.

«В O3 сжатый свет использовался для повышения чувствительности LIGO и Virgo. Этот метод тщательной настройки квантово-механических свойств лазерного света был впервые применен на немецко-британском детекторе GEO600», - объясняет Карстен Данцманн из AEI. «AEI возглавляет всемирные усилия по максимизации степени сжатия, что уже улучшило чувствительность детектора GEO600 в 2 раза. Наши достижения в этой технологии принесут пользу всем будущим детекторам гравитационных волн».

Сеть детекторов выпустила оповещения для 56 возможных гравитационно-волновых событий (кандидатов) в O3 (с 1 апреля 2019 года по 27 марта 2020 года с перерывом на модернизацию и ввод в эксплуатацию в октябре 2019 года). Из этих 56 уже опубликован один подтвержденный сигнал GW190425. Ученые LIGO и Virgo изучают оставшиеся 54 кандидата.

Наблюдение за GW190412 означает, что подобные системы не так редки, как предсказывали некоторые модели. Следовательно, с учетом дополнительных наблюдений гравитационных волн и растущих каталогов событий в будущем, следует ожидать большего количества таких сигналов. Каждый из них может помочь астрономам лучше понять, как образуются черные дыры и их двойные системы, и пролить новый свет на фундаментальную физику пространства-времени.