LIGO–Virgo eredmények az O3 első hónapjában
Az új LIGO–Virgo gravitációshullám-megfigyelések első hónapja fontos megfigyelésekkel és az értelmezésükre fordított sok munkával jutalmazta a kutatókat. Az O3 megfigyelési időszak április 1-én kezdődött és egy évig tart a tervek szerint.
A detektorok érzékenységében elért javulás és az a tény, hogy a három LIGO–Virgo interferométer az első naptól kezdve közösen működik, példátlan megfigyelési lehetőségeket rejt magában. Emellett a LIGO és Virgo detektorok most először nyilvános riasztásokat is kiadnak. Ezek röviddel a hiteles gravitációshullám-jelöltek (GW) megfigyelése után jelennek meg. Fő céljuk, hogy megkönnyítsék az észlelések más távcsövekkel való utólagos megfigyelését és növeljék a többcsatornás megfigyelésekben rejlő rendkívüli lehetőségek kihasználását.
„Jobb pillanatról nem is álmodhattam volna a detektorfelügyelet alatt!” - mondja Olivier Minazzoli, a Centre Scientifique de Monaco kutatója, aki jelenleg a nizzai ARTEMIS laboratóriumával működik együtt, és az elmúlt héten a Virgo detektort felügyelte. – A legjobb esetben is egy feketelyuk-kettős jelölt megfigyelésére számítottam, nem két neutroncsillag-kettős jelöltre, és még kevésbé az első lehetséges neutroncsillag–feketelyuk-kettős észlelésére!
Április 1-je óta öt darab LIGO–Virgo nyilvános riasztást adtak ki, melyek szabadon hozzáférhetőek a gravitációshullám-jelölt események adatbázisában. Ezek közül három feketelyuk-kettősök (BBH) összeolvadása. Az adatok teljes kiértékelése további, már folyamatban lévő elemzéseket igényel. Ha megerősítést nyernek, akkor ezek a jelöltek a LIGO–Virgo korábbi megfigyelési időszakaiban észlelt 10 BBH-összeolvadáshoz adódnak hozzá, és segítenek megérteni ezen extrém kompakt csillagok kialakulási folyamatait, valamint a gravitáció, a tér és az idő természetét.
Két további esemény a LIGO–Virgo csoportok, valamint egy nagyobb tudományos közösség részletes vizsgálatát igényli. Ezek olyan kettős rendszerek összeolvadására utalnak, melyeknek legalább az egyik tagja neutroncsillag (NS) – az anyag bizonyítottan legnagyobb sűrűségű formája.
Április 25-én, körülbelül 08:18-kor (UTC) egy neutroncsillag-kettős (BNS) összeolvadását észlelték a detektorok (az S190425z-t – további információk ezen a linken érhetők el). Ez a híres GW170817 eseményhez, az első BNS összeütközéshez hasonló, amit két évvel ezelőtt figyeltek meg és a GW-t használó többcsatornás csillagászat kezdetét jelentette. Az S190425z lehetséges forrásának keresése tovább folytatódik az elektromágneses spektrumban. Ez a feladat sokkal nehezebb, mint ahogy a GW170817 esetében volt, mivel ezúttal a forrás négyszer akkora távolságra található, és a LIGO–Virgo által meghatározott égi pozíciója sokkal bizonytalanabb. Az S190425z megfigyelése alatt valójában csak két detektor működött: a LIGO Livingston és a Virgo.
A másik, neutroncsillagot tartalmaz eseményjelöltet (S190426c – további információk ezen a linken érhetők el), április 26-án, 15:22-kor (UTC) figyelték meg. Mind a három LIGO–Virgo detektor észlelte, de a jel gyengesége miatt még mindig fennáll annak a valószínűsége, hogy ez nem egy valódi asztrofizikai jel. Az S190426c egy rendkívül érdekes észlelés, mivel ennek alakja azt sugallja, hogy a jelet egy nagyobb tömegű fekete lyukba hulló neutroncsillag bocsátotta ki. Ha mindez megerősítést nyer, akkor ez egy újabb példátlan felfedezést jelent. Az S190426c megértéséhez szükséges vizsgálatok több időt és izgalmas munkát követelnek meg a LIGO–Virgo csoportoktól.
„Különösen izgatott vagyok” - mondja Tanja Hinderer, az Amszterdami Egyetem posztdoktora, „hogy a GW-t és a többcsatornás megfigyeléseket a legnagyobb sűrűségű neutroncsillagok anyagának megismerésére használják, amiből egy teáskanálnyi akár egy milliárd tonnát is nyomhat. A GW-k kódolják az összeolvadó csillagok tulajdonságait, míg az esetleges elektromágneses / neutrínó megfigyelésekkel az összeolvadás maradványa vizsgálható. Ezeknek a szélsőséges jelenségeknek a megértéséhez kulcsfontosságú a több csatornából származó információ. A nyilvános riasztások rendkívül izgalmassá teszik a többcsatornás észleléseket, és nagyon kíváncsi vagyok a különböző BNS és NS-BH eseményekkel kapcsolatos jellemzők megfigyelésére az O3 során és arra, hogy milyen új ismeretket szerezhetünk ezek segítségével.
„A legújabb LIGO–Virgo megfigyelési időszak az eddigi legizgalmasabbnak bizonyult” - mondja David Reitze, a LIGO ügyvezető igazgatója a Caltechről. „A mérések egy neutroncsillagot elnyelő fekete lyuk első megfigyelésére utalnak. Ha ez igaznak bizonyul, akkor ez egy hármas befutó a LIGO és Virgo számára. De megtanultuk, hogy az észlelések hatalmas mennyiségű fáradtságos munkát igényelnek - ellenőrzés és újbóli ellenőrzés – és látni fogjuk majd, hogy végül mire is utalnak az adatok.”
„Három különböző detektor kezelése nagy kihívást jelent” - mondja Florian Aubin, a franciaországi Savoie Mont Blanc-i egyetem doktori hallgatója. „Ez egy nagyszerű lehetőség arra is, hogy azonosítsuk a forrás égi helyzetét és elektromágneses / neutrínó megfelelőket keressünk. Nagyon izgatott vagyok az új megfigyelési időszak miatt. A két NS összeolvadás-jelölt és a másik három BBH jelölt megfigyelése kevesebb, mint egy hónap alatt további érdekes felfedezések egy teljes évét ígéri. Igazi jutalom számomra, hogy itt lehetek két évig tartó kemény munkát követően.
Az O3 elindítása előtt a hálózat összes detektora, az Advanced LIGO interferométerei Livingston-ban és Hanford-ban (USA), valamint az Advanced Virgo interferométer Cascina-ban (Olaszország) intenzív fejlesztési időszakon ment keresztül. Az Advanced Virgo szinte megduplázta érzékenységét a második megfigyelési időszakhoz, az O2-höz képest, ami 2017-ben fejeződött be.
„2017 szeptembere óta kemény munkával telt el az a 18 hónap, amit az Advanced Virgo érzékenységének és a külső zavarokkal szembeni robusztusságának javításával töltöttünk” - mondja Irene Fiori, az Európai Gravitációs Obszervatórium (EGO, Olaszország) fizikusa és a Virgo környezeti zajvizsgálatokért felelős kutatója. „Nagyszerű együttműködés folyt a különböző területen dolgozó szakemberek között: kiváló minőségű lézerek, optika elemek szuperfinom illesztése, szeizmikus izoláció, termikus hibák kompenzálása, stb., és még a préselt fény előállítása is!”
Az Advanced Virgo megbízhatóan képes megfigyelni BNS összeolvadásokat a Földtől kb. 160 millió fényévre, és a BBH-rendszerek összeolvadását kb. 2 milliárd fényévre (30 naptömegű BH-k esetén). A hálózat tagjai közül jelenleg az Advanced Virgo az a detektor, amely az Univerzum megfigyelésével a legtöbb időt töltötte. Működési idejének 90% -ában megfigyelési módban üzemelt; ami egy figyelemre méltó siker. Ezt főként a LIGO-val összehangolt karbantartási munkák korlátozták a hálózat teljesítményének optimalizálása és az esetenként erős környezeti zavarok miatt. A rendkívül magas üzemi ciklus tükrözi a detektor zajának stabilitását, valamint azt a pontosságot, amellyel az Advanced Virgo szabályozható. Mindez azt is biztosítja, hogy a Virgo az O3 további GW megfigyeléseihez is nagymértékben hozzájárul majd.
„A Virgo irányítótermében” - teszi hozzá Fiori, „keményen dolgoztunk és hosszú tudományos vitákat folytattunk. Az emberek hangulatából napról napra meg lehetett mondani, hogy a Virgo fejlesztése haladt-e vagy megrekedt. Nagy öröm volt, amikor április 1-én a LIGO-val együtt ünnepeltük az O3 mérések kezdetét, kétszeres érzékenységgel 2017-hez képest. Gyakori mondat volt a ‘Megcsináltuk!’ Minden alkalommal, amikor új GW-jelet észlelünk, megújul ez az elégedettség.”
Az Advanced Virgo nagyon magas működési ciklusa, valamint a két Advanced LIGO interferométertől való távolsága és eltérő tájolása együttesen növeli a detektorhálózat lokalizációs képességeit, és hogy teljes mértékben megérthessük a GW jelek jellemzőit. Valójában a GW források pontos égbolt-helymeghatározása kulcsfontosságú tényező, amely sikeres elektromágneses megfigyelési kampányhoz és az azt követő tudományos eredmények sokaságához vezethet.
Számos megfigyelés várható, mivel az Advanced LIGO és az Advanced Virgo tovább folytatják megfigyeléseiket az egy évig tartó O3 alatt: további kettős fekete lyukak és neutroncsillagok összeolvadása, és remélhetőleg új típusú GW jelek megfigyelése is várható. Mind az online adatelemzési módszerekkel, amelyekkel az adatokat a méréseket követően azonnal megvizsgálják, mind az utólagos elemzésekkel, melyek az összegyűjtött adatokat a rendelkezésre álló összes információ segítségével dolgozzák fel, tovább folytatódik a GW jelek keresése.
Ábrafelirat: A kettős neutroncsillag összeolvadásának szimulációja. A bal felső sarokból az óramutató járásának megfelelően: a két neutroncsillag (fehér) egymás körül kering, összeütközik, és egy nagy tömegű neutroncsillaggá olvad össze. Az anyag egy része (a színkód a sűrűséget jelöli) a környezetbe kerül és egy vastag akkréciós korongot hoz létre a kialakuló csillag körül. A teljes folyamat 0,03 s alatt játszódik le. A legtöbb esetben a nagy tömegű neutroncsillag nem képes hosszabb ideig ellenállni saját gravitációs vonzásának és végül egy fekete lyukká omlik össze.
Szimulációk és ábrák forrása: Ciolfi, Giacomazzo (Virgo Együttműködés), Kastaun (LIGO Tudományos Együttműködés).
📖 Gravitációshullám-események: április 25-i esemény and április 26-i esemény