Люди рождаются волшебниками. Нас всегда интересует следующая долина, следующий горизонт, что мы дальше поймем об этой огромной Вселенной, в которой мы все окутаны.
В 2015 году мы наконец обнаружили нашу первую долгожданную и давно предполагаемую гравитационную волну, образовавшуюся в результате далекого слияния двух черных дыр звездной массы. Но теперь мы хотим знать больше, и только более совершенные детекторы могут удовлетворить наш аппетит.
Всякий раз, когда мы обнаруживаем что-то новое, например, долгожданный ответ на фундаментальный вопрос, горизонт наших знаний сдвигается. Именно это произошло с первой гравитационной волной (ГВ). Мы остановились на мгновение, признали дальновидный научный ум Альберта Эйнштейна, который предсказал это явление более века назад, а затем перешли к размышлениям о том, что будет дальше.
Что касается гравитационных волн, мы обнаружили десятки из них, как подтвержденных, так и кандидатов, ожидающих подтверждения. Но у них всех есть одна общая черта: все они возникли в результате слияния черных дыр звездных масс. Это потому, что Virgo/LIGO не может обнаружить слияния более массивных черных дыр. Они происходят слишком медленно.
Итак, теперь горизонт GW сместился. Теперь мы хотим обнаружить слияния черных дыр промежуточной массы. И для этого мы ждем следующего поколения обсерваторий GW: Телескопа Эйнштейна и Космического Исследователя.
Что такого важного в промежуточных слияниях черных дыр?
Промежуточные черные дыры трудно обнаружить. Их масса составляет от 100 до миллиона солнечных масс. Астрофизики нашли лишь несколько кандидатов, основываясь на косвенных доказательствах. Но они важны, потому что, вероятно, являются зародышем сверхмассивных черных дыр (СМЧД) в сердце галактик, таких как Млечный Путь.
В новой статье рассматривается, как исследовать промежуточные черные дыры, обнаруживая их слияния и возникающие в результате гравитационные волны. Он рассматривает две новые обсерватории: Телескоп Эйнштейна и Космический Исследователь.
Статья посвящена теме «Идентификация тяжелых звездных черных дыр на космологических расстояниях с помощью гравитационно-волновых обсерваторий нового поколения». Ведущий автор — Стивен Фэйрхерст, руководитель Института гравитационных исследований Кардиффского университета.
В статье основное внимание уделяется обнаружению двойных черных дыр с общей совокупной массой от 100 до 600 миллионов солнечных масс. Существующие детекторы с трудом обнаруживают эти события, но новые обсерватории могут это изменить.
«Следующее поколение наземных обсерваторий GW, в частности, Телескоп Эйнштейна (ET) и Cosmic Explorer (CE), откроет перспективу обнаружения сигнатур GW слияния ЧДД на более широком пространстве.
диапазон масс и более глубокие красные смещения, расширяя область наблюдений за ЧД до z ~ 30, когда первые звезды начали сиять, и до диапазона промежуточных масс 100–1000 », — говорится в статье.
Черные дыры звездной массы образуются, когда массивные звезды разрушаются под собственным весом. Также возможно, что в самой ранней Вселенной, когда все было гораздо плотнее, газовые облака могли коллапсировать прямо в черные дыры. Это пример того, чего астрофизики еще не знают о черных дырах.
Важной частью исследования слияний черных дыр является парная нестабильность.
Разрыв масс парной нестабильности описывает разрыв массы, наблюдаемый в сверхновых с парной нестабильностью. Они случаются только у звезд с массой от 130 до 250 солнечных масс. Мы знаем, что черные дыры звездной массы формируются значительно ниже этого диапазона масс, но между 65 и 135 массами Солнца существует разрыв, при котором черные дыры не образуются.
«Некоторые из масс ЧБД, которые мы исследуем, находятся в пределах так называемого разрыва масс парной нестабильности (часто называемого разрывом верхней массы или разрывом сверхновой парной нестабильности (PISN).) Этот разрыв составляет примерно от 65 солнечных масс до 135 солнечных масс. где в моделях эволюции изолированных звезд не ожидается образования ЧД».
Природа и точный диапазон разницы масс неясны. Различные оценки, модели и теории дают несколько разные цифры. Но она есть, и каким-то образом она связана с нашими всеобъемлющими вопросами о черных дырах и о том, как сверхмассивные черные дыры в галактиках могут быть такими массивными.
«Мы обсуждаем влияние, которое эти наблюдения окажут на уменьшение неопределенностей в существовании парной нестабильности разницы масс, и их влияние на формирование первых звездных черных дыр, которые могут стать семенами для роста сверхмассивных черных дыр, питающих высокие -z квазары», — пишут исследователи.
Телескоп Эйнштейна — это предлагаемая обсерватория GW, рассматриваемая несколькими странами Европейского Союза. Он обещает более точную астрономию GW.
Его конструкция предусматривает длину рукавов 10 км по сравнению с 4 км у LIGO. Его построят под землей, чтобы снизить сейсмический шум и фоновый шум от близлежащих движущихся объектов. Телескоп Эйнштейна также будет охлаждаться криогенно. Все это приводит к увеличению производительности, и он должен быть в состоянии обнаруживать GW от слияний черных дыр промежуточной массы.
«Используя чувствительность и диапазон частот инопланетян, вся популяция звездных и черных дыр промежуточной массы будет доступна на протяжении всей истории Вселенной, что позволит понять их происхождение (звездное или первичное), эволюцию и демографию», — веб-сайт инопланетян. претензии.
Cosmic Explorer — еще одна предлагаемая обсерватория GW третьего поколения, находящаяся на рассмотрении США. Концептуальный проект предполагает наличие двух отдельных объектов. В одном будут размещены два рукава по 40 км, а в другом — два рукава по 20 км. Хотя другие технологические достижения способствуют повышению его чувствительности, ключевым фактором являются длинные руки.
«Источники, которые едва обнаруживаются с помощью Advanced LIGO, Advanced Virgo и Kagra, будут обнаружены с невероятной точностью. Возникающий в результате резкий рост числа обнаруженных источников — до миллионов в год — и точности наблюдений окажет широкомасштабное влияние на физику и астрономию», — говорится на сайте CE.
Как эти две обсерватории изменят наше понимание неба GW?
Оба этих детектора позволят нам обнаружить слияния ЧД в древней Вселенной. «Во всех случаях показано, что сеть GW следующего поколения обеспечивает уникальную возможность исследовать образование черных дыр с высоким красным смещением», — объясняют авторы. «Наиболее важной особенностью чувствительности детекторов для наблюдения за этими системами является низкочастотная чувствительность детекторов».
Это очень важно, потому что массовые слияния излучают ГВ с более низкими частотами, чем могут обнаружить наши нынешние обсерватории ГВ.
Устранение разницы в массах — следующий важный шаг в понимании черных дыр. Будут ли эти новые детекторы делать это? Все начинается с понимания самых ранних черных дыр во Вселенной.
«Следующее поколение детекторов GW предоставляет уникальный способ исследовать существование тяжелых звездных черных дыр во Вселенной с большим красным смещением», — говорится в документе. Астрофизикам необходимо найти черные дыры с массой выше примерно 50 масс Солнца при красном смещении z ~ 10?15. Эти ЧД могут быть мостом между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами. Они прячутся где-то в межмассовом разрыве.
«Объединив и статистически сопоставив все наблюдения как за слиянием, так и за слиянием ЧД, мы сможем пролить свет на происхождение и эволюцию популяций ЧД, от звездных до сверхмассивных, через промежуточные массы, в разные космические эпохи», — сказал он. заключают авторы.
Гравитационно-волновая астрономия изменила горизонт наших знаний. Наконец мы обнаружили один из них несколько лет назад, и за ним последовали новые обнаружения. Открылось совершенно новое окно во Вселенную. Но сейчас, как всегда, мы хотим знать больше.
Эти будущие, более мощные и чувствительные обсерватории GW должны утолить наш голод. Некоторое время.
