پیدا کردن ده ادغام جدید در داده‌های موج گرانشی

یک تیم مستقل ادغام سیاهچاله‌های بیشتری را در داده‌های LIGO پیدا کرده است.

تصویر شبیه سازی شده از ادغام یک سیاهچاله دوتایی. لنز SXS

همکاری مشترک LIGO، Virgo و KAGRA (LVK) تاکنون 90 رویداد موج گرانشی را جمع‌آوری کرده‌اند که تقریباً همه آنها ادغام دو سیاهچاله بوده است. از مجموع، 44 مورد در نیمه اول اجرای سوم رصد آشکارسازها، به نام O3a پیدا شده است که از آوریل تا اکتبر 2019 ادامه داشت.

اما محققان LVK تنها کسانی نیستند که داده‌ها را جستجو می‌کنند. این همکاری‌ها داده‌ها را برای سایر دانشمندان عمومی می‌سازد تا آن‌ها را کاوش کنند و تیم‌های مستقل با تکنیک‌های تجزیه و تحلیل خاص خود وارد عمل شده‌اند.

یکی از این تیم‌ها یک گروه بین‌المللی است که مرکز آن در مؤسسه مطالعات پیشرفته (IAS) در نیوجرسی است که در سال 2019 هفت ادغام اضافی را از دور دوم مشاهده کرد. محققان اکنون نگاه خود را به داده‌های جدیدتر O3a انداخته‌اند و تنها از رویدادهایی استفاده می‌کنند که توسط هر دو سایت LIGO دیده می‌شود. سث اولسن (پرینستون) در اوایل این ماه در نشست انجمن فیزیک آمریکا گزارش داد که این تجزیه و تحلیل 10 ادغام نامزد جدید را نشان داد و همچنین یکی را بازیابی کرد که همکاران LVK رد کرده بودند.

اما ما نمی‌توانیم این 11 مورد را به سادگی به 90 عدد اضافه کنیم. نکته مهم در مورد امواج گرانشی این است که ما نمی‌توانیم فقط به آسمان نگاه کنیم و بگوییم: “اوه، من آنها را می‌بینم!” ما به “عینک” محاسباتی نیاز داریم. و اینکه نوع عینک استفاده شده هم مهم است.

محققان با اندازه‌گیری کشش و فشردگی بی‌نهایت کوچکی که امواج فضازمان در ابزارهای مقیاس کیلومتر ایجاد می‌کنند، رویدادهای امواج گرانشی را تشخیص می‌دهند. این تغییرات در مرتبه 10-21 هستند که معادل تنظیم اندازه مدار زمین با عرض یک اتم هیدروژن است. امواج همچنین در سر و صدای زیاد گم می‌شوند: هم از صدای خود تجهیزات و هم از صدای محیط، خواه باد، نوک زدن پرندگان.

برای از بین بردن سیگنالها، محققان LVK چندین خط لوله با زنجیره‌ای از فرآیندهای محاسباتی دارند که داده‌ها را تمیز و ارزیابی می‌کنند. برخی از خطوط لوله به بانک‌های الگو متکی هستند، کتابخانه‌های وسیعی از اشکال سیگنال بالقوه که نظریه‌پردازان از قبل برای انواع مختلف رویدادها محاسبه کرده‌اند. خطوط لوله دیگر رویکردی آگنوستیک‌تری دارند و صرفاً به‌جای سیگنال‌های خاص به دنبال سیگنال مازاد هستند.

انتخاب‌های انجام‌شده در این خطوط لوله تعیین می‌کنند که کدام سیگنال‌ها از پس‌زمینه خارج می‌شوند – به عبارت دیگر، نسخه را تنظیم کنید و آنچه را می‌بینید تنظیم کنید. به عنوان مثال، به دلیل فرضیات در مورد محدوده چرخش اشیاء ادغام شده، LVK از چرخشهای کوچکتر در تشخیص آنها استفاده می‌کند.

تیم‌های دیگر از خطوط لوله مخصوص به خود، با مفروضات و اولویت‌های خود استفاده می‌کنند. خط لوله IAS کارایی محاسبات را بهبود می‌بخشد، اما کارهایی مانند نادیده گرفتن برخی از بلندترین رویدادها را نیز انجام می‌دهد تا نسبت به رویدادهای آرام حساستر باشد. اولسن طی یک کنفرانس مطبوعاتی توضیح داد مجموعه مفروضات آن باعث می‌شود که تیم IAS نسبت به محتمل‌ترین رویدادها حساسیت کمتری داشته باشد اما نسبت به رویدادهای عجیب و غریب حساس‌تر باشد.

به لطف این انتخاب‌ها، خط لوله IAS شش رویداد را از O3a «از دست داد» اما 11 رویداد را به دست آورد. با این حال، از نظر آماری، سه مورد از شناسایی‌های جدید احتمالاً تصادفی هستند.

الگوی در حال گسترش امواج ایجاد شده توسط ادغام سیاهچاله‌ها تصویر ثابت از شبیه‌سازی ادغام دو سیاهچاله با جرم ها‌ بسیار متفاوت می‌باشد که در مدار خود به دور یکدیگر می‌چرخند. رنگهای قرمزتر نشان دهنده امواج قوی‌تری هستند. این شبیه‌سازی با ویژگی‌های GW190412 مطابقت دارد که هر دو خط لوله LVK و IAS شناسایی کردند.

1. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

قبل از اکتشافات امواج گرانشی، ستاره‌شناسان انتظار داشتند سیاهچاله‌ها جرمی بین 5 تا 50 خورشید داشته باشند. ستارگانی که به اندازه کافی جرم دارند که سیاهچاله‌ای با جرم بین 50 تا 120 خورشیدی بسازند، این کار را نمی‌کنند – در عوض، آنها خود را منفجر می‌کنند. (خب، احتمالا.)

تشخیص LVK شامل تعداد زیادی از اشیاء خارج از این محدوده است و نامزدهای IAS چندین مورد دیگر را اضافه می‌کنند. اینها عبارتند از GW190711_030756، ادغام یک سیاهچاله با جرم تقریباً 80 خورشیدی با یک سیاهچاله با جرم 18 خورشیدی، و GW190704_104834، که در آن یک سیاهچاله با جرم 7 خورشیدی با یک جرم سیاه 3.2 (شبه جرم خورشیدی) ادغام شد.

شاید ستارگان به گونه‌ای منفجر شوند که به طور طبیعی بقایای حداقل 5 جرم خورشیدی را بسازند. برعکس، سیاهچاله‌های حجیم‌تر احتمالاً محصولات جانبی نسل قبلی ادغام هستند، یا ممکن است نشان دهند که واکنش‌های همجوشی درون ستارگان آنقدر که ما فکر می‌کنیم کارآمد نیستند.

خط لوله IAS همچنین یک رویداد نامزد را مشاهده کرد که شامل یک سیاهچاله بزرگ بود که تقریباً روی سر خود به دور همدم خود می‌چرخید: GW190910_012619، ادغام یک سیاهچاله با جرم 34 خورشیدی با یک جسم با جرم 2.9 خورشیدی. اولسن می‌گوید: «بعید است که از دو سیاه‌چاله این اتفاق بیفتد که تمام طول عمرشان با هم بوده‌اند. اگرچه قبلاً نشانه‌هایی از چرخش‌های نامناسب دیده‌ایم، این یکی دراماتیک‌تر است. هیچ شکی باقی نمی‌گذارد که این دو سیاهچاله در اواخر عمر ادغام شدند. « به‌طور مشخص، این رویداد یکی از کمترین احتمالات را برای یک سیگنال اخترفیزیکی واقعی دارد.

رویدادهای عجیب و غریب مانند اینها برای تفکیک نحوه تشکیل سیاهچاله‌های دوتایی و همچنین بزرگ یا کوچک بودن یک سیاهچاله کلیدی هستند.

مناطق سایه‌دار که مقادیر مختلف اسپین و جرم ممکن را نشان می‌دهند تعیین جرم دو سیاهچاله ادغام شده و نحوه چرخش آنها به دور یکدیگر ساده نیست: اطلاعات در داده‌ها در هم تنیده می‌شوند و بنابراین هر رویداد شامل طیفی از جرمها و اسپینهای ممکن است. با تغییرات در یک پارامتر که بر مقادیر سایرین تأثیر می‌گذارد. سث اولسن / پرینستون

همکاری LVK رویدادهای یافت شده توسط تیمهای مستقل را پیگیری می‌کند و تجزیه و تحلیل‌ها را با آنها مقایسه می‌کند. پاتریک بردی، سخنگوی LIGO (دانشگاه ویسکانسین، میلواکی) می‌گوید: «ما خوشحالیم که مردم به داده‌ها از دید و با ابزارهای جدید نگاه می‌کنند. برادی می‌گوید: برخی از رویدادها، مانند چهار موردی که توسط الکساندر نیتز (موسسه فیزیک گرانشی ماکس پلانک، آلمان) و دیگران در سال گذشته کشف شد، بعداً در فهرست LVK گنجانده شدند، زمانی که محققان LVK به عقب برگشتند و تجزیه و تحلیل عمیق‌تری انجام دادند. اما آنها نمی‌توانند به سادگی اکتشافات مستقل جدید را به فهرست خود اضافه کنند، زیرا انجام این کار توانایی LVK را برای تجزیه و تحلیل تمیز کل جمعیت ادغام ها تضعیف می‌کند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

10 NEW MERGER EVENTS IN GRAVITATIONAL-WAVE DATA

BY: CAMILLE M. CARLISLE APRIL 30, 2022

https://skyandtelescope.org/astronomy-news/10-new-merger-events-in-gravitational-wave-data/