Гравитационно-волновая астрофизика на марше

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №11(230), 6 июня 2017 года

Детекторы гравитационных волн LIGO зарегистрировали еще одно (третье по счету) статистически значимое событие слияния черных дыр (есть еще одно маргинально значимое событие). Дата регистрации — 4 января 2017 года.

Временной профиль события. Серая ломаная линия — данные, желтая линия — подгонка данных вейвлетами, синяя линия — подгонка расчетными событиями слияния черных дыр. Ширина цветных линий отражает статистическую неопределенность. Относительное растяжение в единицах 10^–21. Рисунок взят из цитированной статьи

Вероятность случайной имитации подобного шума оценивается как раз в 70 000 лет, что в более привычных единицах выражается примерно как статистическая значимость 4,5 σ. Оценка масс слившихся черных дыр: \(31.2^{+8.4}_{–1.6}\) и \(19.4^{+5.3}_{–5.9}\) солнечной массы (на уровне достоверности 90%). То есть одна из черных дыр настолько массивна, что могла образоваться только из очень большой звезды с малой металличностью (металличность — специфический астрофизический термин, означающий обилие элементов тяжелее гелия). Это звезды первого поколения, образовавшиеся либо в молодой Вселенной, либо в галактиках с заторможенным темпом звездообразования. Современные звезды не могут быть столь большими из-за низкой теплопроводности — они сбрасывают лишнее вещество.

Еще один существенный факт: моменты вращения черных дыр не совпадали по направлению с орбитальным моментом. Оба факта (очень большая масса и разнобой моментов вращения) указывают на то, что система двух черных дыр образовалась динамически в плотном шаровом скоплении — каждая образовалась отдельно, затем они «утонули» в центр скопления и там объединились в гравитационно связанную систему. Другой сценарий — образование двойной черной дыры из двойной системы массивных звезд — менее вероятен, но не исключен.

Напомним, что в первом зарегистрированном событии тоже слились две очень тяжелые дыры массами около 30 солнечных. Это не значит, что именно тяжелые черные дыры сливаются чаще, чем более легкие. Просто в их пользу работает эффект селекции: амплитуда гравитационных волн растет с массой. Ограничение на темп слияния черных дыр во Вселенной сужается, но всё еще составляет фактор в несколько раз — мы видим только слияния самых тяжелых, а полный темп зависит от плохо оцениваемого распределения систем черных дыр по массе.

Будем надеяться, что средства массовой информации перестанут обращать внимание на каждое событие детектирования гравитационных волн и появится более-менее информативная статистика слияния черных дыр, а потом и нейтронных звезд.

Источник: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific and Virgo Collaboration). GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2 // Phys. Rev. Lett. V. 118. Issue 22. Article number 221101. Published 1 June 2017.
Статья в ТрВ-Наука, посвященная первому зарегистрированному всплеску.

См. также:
1) Гравитационные волны — открыты!, «Элементы», 11.02.2016.
2) LIGO поймала новые всплески гравитационных волн, «Элементы», 20.06.2016.