Eddig még nem látott típusú jelet érzékeltek a gravitációshullám-detektorok

4675

A LIGO és Virgo detektorok először érzékeltek olyan gravitációs hullámot, amelyet eltérő tömegű fekete lyukakból álló kettősben lezajlott összeolvadás okozott.

A gravitációs hullámokkal foglalkozó kutatói közösség korábbi várakozása mára szinte teljes mértékben teljesült: a gravitációs hullámok detektálása majdhogynem napi rutinná vált, hiszen a legutóbbi, O3 jelű észlelési időszakban nagyjából hetente detektáltak új gravitációshullám-jelölteket. Újdonság, hogy most egy olyan jelölt is horogra akadt, amilyet eddig még nem láttak: a GW190412 jelű forrás az első olyan feketelyuk-kettős, amelynek komponensei szignifikánsan különböző, kb. 8 és 30 naptömegűek voltak az összeolvadás előtt. Ez nem csak a rendszer asztrofizikai jellemzőinek sokkal pontosabb meghatározását teszi lehetővé, de a LIGO/Virgo együttműködés kutatói az Einstein-féle általános relativitáselmélet egy eddig még nem tesztelt előrejelzését is igazolhatták.

Összeolvadó feketelyuk-kettős, amelynek komponensei szignifikánsan eltérő, 8 és 30 naptömegűek (N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes project)

“A GW190412 esetében ‘hallottuk’ először egyértelműen a gravitációshullám-zümmögésnek a hangszerek megszólalását is meghatározó felhangokhoz hasonló felharmonikusait” – magyarázza Frank Ohme kutatócsoport-vezető (Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI), Hannover). “Az első ilyen típusú detektálásunk alanyához, a GW190412-höz hasonló, eltérő tömegű komponensekből álló rendszerek esetében a gravitációshullám-jelekben ezek a felhangok sokkal intenzívebbek, mint a szokásos észleléseinkben. Ezért nem is hallhattuk őket korábban, a GW190412-nél azonban végre sikerült.” A detektálás újabb megerősítése Einstein általános relativitáselméletének, amely megjósolja ezen felharmonikusok, azaz az eddig észlelt alapfrekvencia kétszeresével és háromszorosával oszcilláló gravitációs hullámok létezését. Bár a jelnek az összes eddig mértétől eltérőek a jellemzői, a kutatók nem találtak szignifikáns eltérést az általános relativitáselmélet előrejelzéseitől.

“A GW190412 centrumában helyet foglaló fekete lyukak tömege 8, illetve 30 naptömeg. Ez az első általunk észlelt feketelyuk-kettős, amelyben a komponensek tömegei közötti különbség ilyen nagy” – lelkesedik Roberto Cotesta PhD hallgató (AEI, Potsdam). “A nagy tömegkülönbség lehetővé teszi, hogy az eddigieknél sokkal pontosabban meghatározhassuk a rendszer több jellemzőjét: távolságát, inklinációját, és azt, hogy a nagyobb tömegű komponens mekkora szögsebességgel forog a tengelye körül.”

GW190412: Összeolvadó feketelyuk-kettős. Gravitációshullám-jelek eddig még nem detektált típusát észlelték (N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes project)

A GW190412-t 2019. április 12-én, a detektorok O3 jelű harmadik észlelési időszakának legelején a LIGO és a Virgo is érzékelték. A mérések elemzése alapján az összeolvadás a Földtől 1,9 és 2,9 milliárd fényév közötti távolságban történt. A felfedezés egyedülálló abban az értelemben, hogy a LIGO és a Virgo által eddig detektált mindegyik összeolvadó kettősben a komponensek tömege nagyjából megegyezett, ebben az esetben azonban jelentősen különböznek egymástól.

A tömegkülönbség a gravitációshullám-jelre is rányomja a bélyegét, így a kutatók sokkal pontosabban határozhatják meg a rendszer bizonyos asztrofizikai paramétereit. A felharmonikusok jelenléte lehetővé teszi például a rendszer távolsága és pályasíkjának inklinációja közötti esetleges inkonzisztencia feloldását, így ezek a paraméterek nagyobb pontossággal nyerhetők ki, mint a nagyjából egyenlő tömegű komponensekből álló, ezért felharmonikusokat nem produkáló rendszerek esetében.

Aszimmetrikus tömegű és precesszáló feketelyuk-kettős (GW190412) összeolvadásának numerikus szimulációja (N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes project)

“Az O1 és O2 jelű észlelési időszakokban csak a csúcsát láttuk a csillagtömegű fekete lyukakból álló kettősök alkotta jéghegynek” – érzékelteti Alessandra Buonanno igazgató (AEI, Potsdam; University of Maryland). “A nagyobb érzékenységnek köszönhetően a GW190412-vel az első képviselője bukkant fel egy sokkal változatosabb, eddig a mélyben rejtőzködő populációnak, amelyet az akár 4-et is elérő tömegarány és az általános relativitáselmélet által megengedett legnagyobb szögsebesség akár 40%-ával forgó fekete lyukak jellemeznek” – teszi hozzá.

Az AEI kutatói a detektáláshoz és az adatok elemzéséhez is hozzájárultak. A fekete lyukak összeolvadása által keltett gravitációs hullámok pontos modelljével segítették a munkát, amely – szintén először – nem csak a fekete lyukak forgásának precesszióját, de a domináns kvadropól-momentumon túl további multipól-momentumomat is figyelembe vett. A forrás jellemzőire utaló egyedi információk kinyeréséhez és az általános relativitáselmélet tesztjeinek sikeres végrehajtásához alapvető fontosságú volt a jelalakra gyakorolt hatásuk ismerete. Az AEI Potsdamban és Hannoverben működő nagy számítási teljesítményű “Minerva” és “Hypatia”, illetve “Holodeck” klasztere jelentősen hozzájárultak a jel elemzéséhez.

A felfedezés a gravitációshullám-detektorok nemzetközi hálózata harmadik, O3 jelű, 2019. április 1. és 2020. március 27. közötti észlelési időszakának második bejelentése. Erre az időszakra a kutatók mindhárom nagy detektornál több műszertechnológiai fejlesztést is végrehajtottak.

“Az O3 észlelési időszakban ún. préselt fényt (squeezed light) használtunk a LIGO és a Virgo érzékenységének javítására. A lézerfény kvantummechanikai tulajdonságainak gondos finomhangolásán alapuló eljárást a GE0600 német-brit detektornál fejlesztették ki” – magyarázza Karsten Danzmann, az AEI hannoveri és a szintén hannoveri Leibniz Egyetem Gravitációs Fizikai Intézetének igazgatója. “Az AEI éllovasa a préselés fokának maximalizálását célzó nemzetközi erőfeszítéseknek, amelyek eredményeként a GE0600 érzékenységét sikerült kétszeresére növelni. A technológia terén elért előrehaladásunk a jövő gravitációshullám-detektorainak teljesítményét is javítani fogja.”

A detektorhálózat az O3 észlelési időszakában 56 lehetséges gravitációshullám-eseményt (jelöltet) azonosított. Az 56 közül már egy továbbit, a GW190425-öt is megerősítették, és az eredményt közölték is. A LIGO és Virgo kutatói a maradék 54 jelöltet is vizsgálják, és mindazokat publikálni fogják, amelyek esetében az elemzések igazolják az asztrofizikai eredetet.

A GW190412 detektálása azt jelzi, hogy a hasonló rendszerek valószínűleg nem annyira ritkák, mint azt néhány modell jósolja. Így az újabb gravitációshullám-észleléseknek és az egyre hosszabb eseménykatalógusoknak köszönhetően egyre több ilyen jel detektálása várható. Mindegyik segíthet a csillagászoknak abban, hogy jobban megértsék a fekete lyukak és az általuk alkotott kettősök kialakulási folyamatát, végső soron pedig a téridő fizikájának alapvető jellemzőit.

Forrás: A signal like none before, AEI News, 2020.04.20.

Hozzászólás

hozzászólás