Ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων έπιασαν την πιο μεγάλη συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών. Astronomers detect most powerful black-hole collision yet

Το βαρυτικό κύμα GW190521 αποκαλύπτει μια τεράστια μαύρη τρύπα. Πρόκειται για την μεγαλύτερη μαύρη τρύπα που ανακαλύφθηκε διαμέσου των βαρυτικών κυμάτων. Αλλά και οι αρχικές μαύρες τρύπες (66 M⊙ 85 M⊙) έχουν τέτοιες μάζες που δεν εξηγούνται με τους γνωστούς μηχανισμούς σχηματισμού μαύρων τρυπών. Seven billion years ago, two truly huge black holes slammed together and formed one 142 times the mass of the sun. An image shows the gravitational waves produced during the largest black hole collision ever detected. (Image: © N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno, and the SXS Collaboration)

Figure 1: Time—frequency representations of data containing the GW190521 signal, observed by LIGO Hanford (top), LIGO Livingston (middle), and Virgo (bottom). Times are shown relative to 03:02:29 UTC on May 21, 2019. The energy in a certain time-frequency bin is represented by the color palette. Note the signal’s extremely short duration and its peak frequency of about 60 Hz. (Adapted from Fig. 1 of GW190521 discovery paper.)

Η κατακλυσμική σύγκρουση και συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών, των πιο μακρινών και με μεγαλύτερη μάζα μέχρι σήμερα που έχουν ανακαλυφθεί με τη βοήθεια των βαρυτικών κυμάτων, είναι το νέο επίτευγμα των ανιχνευτών LIGO (ΗΠΑ) και VIRGO (Ευρώπη).

Figure 2: Measured masses of the colliding black holes that produced the gravitational wave signal GW190521 shown as probability distributions. According to the LIGO-Virgo analysis, the true values of the black hole masses have a 90% probability of being located inside the solid blue contour in the central plot (which shows the joint probability for both masses). The same is true for the solid vertical and horizontal lines in the bell-shaped curves to the top and right of the figure, which show the mass measurements for the individual black holes. The grayed-out region of the central plot is due to the LIGO-Virgo convention that the “primary” mass m₁ is always of equal or greater value than the “secondary” mass m₂. (Taken from Figure 2 of GW190521 discovery paper.)

Από τη σύγκρουση, που συνέβη όταν το σύμπαν είχε σχεδόν τη μισή σημερινή ηλικία του, περίπου επτά δισεκατομμύρια έτη, προέκυψε μια μαύρη τρύπα με μάζα όσο 142 ήλιοι, ενώ παράλληλα στο σύμπαν εκτοξεύθηκαν βαρυτικά κύματα με ενέργεια όσο οκτώ ήλιοι.

Figure 3: Plot showing the component masses (shown as black boxes) of the GW190521 black holes in comparison with the masses of other black hole mergers detected during LIGO and Virgo's first and second observing runs, O1 and O2. For each event the mass of the merged remnant is shown as a red triangle. In all cases the length of the vertical bar indicates the range of uncertainty in the estimated mass. The record-breaking masses of GW190521 are clear from this plot. (Adapted from Figure 10 of paper on the astrophysical implications of GW190521.)

Η μεγαλύτερη μαύρη τρύπα του ζεύγους της σύγκρουσης είχε 85 ηλιακές μάζες (η ίδια με τη σειρά της είχε μάλλον προέλθει από την προγενέστερη συγχώνευση δύο άλλων μαύρων τρυπών), ενώ η μικρότερη 66 ηλιακές μάζες.

Figure 4: This graphic shows the masses of black holes detected through electromagnetic observations (purple), black holes measured by gravitational-wave observations (blue), neutron stars measured with electromagnetic observations (yellow), and neutron stars detected through gravitational waves (orange). GW190521 is highlighted in the middle of the graphic as the merger of two black holes that produced a remnant that is the most massive black hole observed yet in gravitational waves. Credit: LIGO-Virgo/Northwestern U./Frank Elavsky & Aaron Geller

Πρόκειται κατά πάσα πιθανότητα για την πρώτη άμεση παρατήρηση της γέννησης μιας μαύρης τρύπας ενδιάμεσου μεγέθους, ένα διαστημικό αντικείμενο που έως τώρα ξέφευγε από τους αστρονόμους. Οι ενδιάμεσου μεγέθους μαύρες τρύπες έχουν μάζα ισοδύναμη με 100 έως 100.000 ήλιους. Οι μικρότερες έχουν μάζα μερικές δεκάδες ήλιους, ενώ οι πολύ μεγαλύτερες με εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών (και του δικού μας).

«Εδώ και καιρό ψάχναμε για μια ενδιάμεσου μεγέθους μαύρη τρύπα, ώστε να γεφυρώσουμε το κενό ανάμεσα στις μαύρες τρύπες με αστρική μάζα και τις υπερμεγέθεις. Τώρα έχουμε πια την απόδειξη ότι οι ενδιάμεσες μαύρες τρύπες όντως υπάρχουν», δήλωσε ο δρ Κρίστοφερ Μπέρι του Πανεπιστημίου Northwestern του Ιλινόις.

Numerical simulation of two black holes that inspiral and merge, emitting gravitational waves. The black holes have large and nearly equal masses, with one only 3% more massive than the other. The simulated gravitational wave signal is consistent with the observation made by the LIGO and Virgo gravitational wave detectors on May 21st, 2019 (GW190521). Credit: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Το νέο βαρυτικό σήμα (GW190521), το οποίο διήρκεσε μόλις ένα δέκατο του δευτερολέπτου, έγινε αρχικά αντιληπτό τον Μάιο του 2019 και ακολούθησε η χρονοβόρα ανάλυση του, εωσότου γίνουν τώρα οι σχετικές δημοσιεύσεις στα περιοδικά φυσικής «Physical Review Letters» και αστροφυσικής «Astrophysical Journal Letters».

Μεταξύ των ερευνητών είναι η διακεκριμένη Ελληνίδα αστροφυσικός της διασποράς Βίκυ Καλογερά, καθηγήτρια στο Northwestern και επικεφαλής του Κέντρου Διεπιστημονικής Εξερεύνησης και Έρευνας στην Αστροφυσική (CIERA) του αμερικανικού πανεπιστημίου. Όπως δήλωσε, με αφορμή τη νέα ανακάλυψη, οι ερευνητές έθεσαν επί τάπητος το ερώτημα «αν κάτι εντελώς καινούριο παρήγαγε αυτά τα βαρυτικά κύματα και όχι μια συγχώνευση μαύρων οπών».

Μεταξύ άλλων, τόνισε, οι επιστήμονες εξέτασαν «κατά πόσο ίσως τα βαρυτικά κύματα δημιουργήθηκαν από ένα καταρρέον άστρο στο γαλαξία μας. Το σήμα θα μπορούσε επίσης να προέρχεται από μια κοσμική χορδή που δημιουργήθηκε αμέσως μετά τον πληθωρισμό στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος. Όμως καμία από αυτές τις εξωτικές δυνατότητες δεν ταιριάζει με τα δεδομένα τόσο καλά όσο μια συγχώνευση μαύρων τρυπών».

Ligo (pictured) is made up of two observatories that detect gravitational waves by splitting a laser beam and sending it down several mile (kilometre) long tunnels before merging the light waves together again.

Η ιστορική πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων είχε γίνει το 2015. Ο τελευταίος γύρος λειτουργίας του LIGO (δύο ανιχνευτές μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων στις ΗΠΑ και 1.300 συνεργαζόμενοι ερευνητές) και του VIRGO (ένας ανιχνευτής μήκους τριών χιλιομέτρων στην Πίζα της Ιταλίας και περισσότεροι από 580 επιστήμονες από 13 ευρωπαϊκές χώρες, μεταξύ των οποίων η Ελλάδα) κράτησε από τον Απρίλιο 2019 έως τον Μάρτιο 2020. Εντόπισε 56 πιθανά βαρυτικά κύματα, εκ των οποίων τέσσερα έχουν επιβεβαιωθεί έως τώρα (το τέταρτο περιστατικό είναι αυτό της γέννησης της ενδιάμεσης μαύρης τρύπας).

Εκτός από τη σημαντική δραστηριότητα της Βίκυς Καλογερά στην κοινοπραξία LIGO στην άλλη όχθη του Ατλαντικού, υπάρχει και στην κοινοπραξία VIRGO μια διακεκριμένη ελληνική παρουσία χάρη στον καθηγητή Σταύρο Κατσανέβα του Πανεπιστημίου Ντενί Ντιντερό του Παρισιού, διευθυντή του Ευρωπαϊκού Βαρυτικού Παρατηρητηρίου (EGΟ), το οποίο έχει δημιουργηθεί με γαλλο-ιταλική πρωτοβουλία.

Πηγές: https://www.ligo.org/science/Publication-GW190521/ - https://www.nature.com/articles/d41586-020-02524-w - GW190521: Η ΜΑΖΙΚΟΤΕΡΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ ΜΑΥΡΩΝ ΤΡΥΠΩΝ ΠΟΥ ΠΑΡΑΤΗΡΗΘΗΚΕ ΕΩΣ ΤΩΡΑ - https://www.capital.gr/epikairotita/3477941/oi-anixneutes-barutikon-kumaton-ligo-kai-virgo-epiasan-tin-pio-megali-kai-makrini-sugxoneusi-duo-mauron-trupon