Astronomiya

Qara delik toqquşması və cazibə dalğaları

Qara delik toqquşması və cazibə dalğaları

14 sentyabr 2015-ci il tarixində LIGO tərəfindən aşkarlanan cazibə dalğaları, faktiki toqquşmadan əvvəl bir-birinin ətrafında işıq sürətinə yaxın fırlanan iki qara dəliyin toqquşması ilə əlaqələndirilir. Çarpışma 1.3 milyard il əvvəl, təqribən 1.3 milyard işıq ili uzaqlıqda meydana gəldi və göründüyü kimi, toqquşmanın enerjisi, müşahidə edilə bilən kainatdakı bütün ulduzların birləşmiş enerjisini aşdı.

LIGO, deformasiya atom radiusunun bir hissəsinin böyüklüyünə baxmayaraq toqquşma nəticəsində meydana gələn cazibə dalğasının yaratdığı məkanın toxumasındakı deformasiyanı aşkar edə bildi. Dalğanın Yer planetinə çatdığı vaxt deformasiyanın bu qədər "kiçik" olmasının səbəbi Yerdən toqquşmanın nisbətən böyük məsafəsi idi.

Sual: ixtisaslı biri kimsə Yer planetində qarşılaşacağımız məkan-zaman deformasiyasının böyüklüyünü təxmin edə bilərmi, toqquşma bizə yaxın gəlsəydi? Yəni məkan-zaman deformasiyasının millimetr olması üçün toqquşma nə qədər yaxın olmalı idi? Bəs sayğaclar? Qravitasiya dalğası deformasiyanın hansı böyüklüyündə Yer planetində insanlar üçün təhlükəli və ya ölümcül ola bilər?

Bryan Qrin kosmik zamanın cazibə dalğa deformasiyasını Yerin (və onun üzərindəki hər şeyin) müvəqqəti "büzülməsi" və ya "sıxılması" kimi təsvir etdi. 1 santimetr belə sıxılmasının Yer üzündə yaşayanların hamısı üçün ölümcül ola biləcəyini düşünmək haqlıyam?


Cavabın bir hissəsi asandır. O hadisədə ölçülən gərginlik təxminən idi 0,25 $ times 10 ^ {- 21} $. Bu bir obyektdir $ 1m $ uzun tərəfindən sıxılacaqdı 0,25 $ times 10 ^ {- 21} m $ bir istiqamətdə və ortoqonal istiqamətdə eyni miqdarda uzanmışdır.

Gərginlik qara dəlikdən məsafəyə görə xətti olaraq azalır, beləliklə Yerin ölçüsündə bir şeydə 1 mm təhrifə nail olmaq üçün (yəni təxminən $ 8 times 10 ^ {- 11} $ ilə əlaqəli olmaq lazımdır $ 5 times 10 ^ {10} $ dəfə daha yaxın, buna görə $0.03$ işıq ili yaxınlığında və ya təxminən 2000 AU. Bu məsafədəki iki 30 günəş kütləsi və qara dəliklər toqquşmadan əvvəl günəş sistemini xeyli pozmuş olardı.

İnsan ölçüsündə bir şeydə 1 mm-lik bir təhrifə nail olmaq üçün başqa bir amil olmalıdırlar $ 6 times 10 ^ 6 $ daha yaxın, belədir $ mathrm {30000 km} $, geostasionar orbitdən daha yaxındır. Bu vəziyyətdə cazibə dalğalarından daha böyük problemlərimiz olacaq.

Hesablamağı bilmədiyim bu ssenarilərdən birində Yerin və ya bir insanın mənimsədiyi enerjidir. Heç olmasa dalğadan hamısının bu qədər olmayacağından şübhələnirəm.

Daha sonra əlavə edildi: bu cavab Yer kürəsindən keçən ümumi enerjini verir (mövcud məsafədəki qara dəliklərlə təxminən 34GJ), ancaq nə qədər udulduğuna dair heç bir fikir vermir. Qara dəliklər daha yaxın olsaydı, tərs kvadrat qanununa görə bu artacaqdı.


Qara deliklərin yeni bir dövrü

Astronomlar, kosmosa baxışımızı dəyişdirən qara dəlikli bir xəzinə tapdılar.

2015-ci ildə ilk qara dəlik toqquşması təsbit edildikdə, bu astronomiya tarixində bir su anı idi. Cazibə dalğalarından istifadə edən astronomlar kainatı tamamilə yeni bir şəkildə müşahidə edirdilər. Ancaq bu ilk hadisə qara dəlik anlayışımızda inqilab yaratmadı - edə də bilməz. Bu toqquşma astronomların bildikləri çox şeydən birincisi olacaq və yalnız bu nemət sayəsində cavablar gələcəkdir.

"İlk kəşf həyatımızın həyəcanı oldu" dedi Şimal-qərb Universitetinin astrofiziki Vicky Kalogera və 2015-ci ilin aşkarlanmasını həyata keçirən Lazer İnterferometr Qravitasiya-Dalğa Rəsədxanası (LIGO) əməkdaşlığının bir hissəsi. "Ancaq bir mənbə ilə astrofizika edə bilməzsiniz."

İndi Kalogera və digər fiziklər müşahidə edə bildikləri qara dəliklərin sayının sürətlə artmasıyla yeni bir qara dəlik astronomiyası dövrünə qədəm qoyduqlarını söyləyirlər.

Bu qara dəlikli ikili birləşmələrin ən son kataloqu - iki qara dəliyin bir-birinə doğru fırlanaraq toqquşması nəticəsində - araşdırmaq üçün mövcud olan qara dəlik birləşmə məlumatlarını dörd dəfə artırdı. İndi astrofiziklərin araşdırması üçün təxminən 50 birləşmə var, önümüzdəki bir neçə ayda onlarla, yaxın illərdə isə yüzlərlə daha çox gözlənilir.

Kalogera deyir: "Qara dəlikli astrofizika cazibə dalğaları ilə inqilab olunur". “Rəqəmlər keyfiyyətcə fərqli suallar verməyə imkan verir. Bir xəzinə açdıq. ”

Bu məlumatların gücü ilə yeni statistik araşdırmalar bu müəmmalı obyektlərin sirlərini açmağa başlayır: qara dəliklərin necə meydana gəldiyini və niyə birləşdiklərini. Bu böyüyən qara dəlikli inventar, kosmoloji təkamülü araşdırmaq üçün yeni bir yol da təklif edə bilər - Böyük Partlayışdan ilk ulduzların doğuşuna və qalaktikaların böyüməsinə qədər.

Şimal-qərbdə bir astronom olan Maya Fishbach, "Bu suallara ilk aşkarlandıqdan sonra baxacağımızı qətiliklə gözləmirdim" dedi. "Sahə partladı."

Qara dəliklərdən kosmosu bütövlükdə öyrənmək üçün istifadə edilməzdən əvvəl astrofiziklər əvvəlcə necə edildiklərini anlamalıdırlar. İndiyə qədər mübahisədə iki nəzəriyyə üstünlük təşkil etmişdir.

Bəzi astronomlar, qara dəliklərin əksəriyyətinin öz qalaktik arxa bağımızdan bəzən milyon qat daha sıx bölgələr olan sıxlıqlı ulduzlar qrupu içərisindən gəldiyini irəli sürürlər. Çox böyük bir ulduz hər dəfə partladıqda, ulduz dəstəsinin ortasına batan qara bir çuxur qoyur. Kümənin mərkəzi cazibə ilə taleyüklü bir kosmik rəqsə qapılan qara dəliklərlə qalınlaşır. Astronomlar buna “dinamik” qara dəlik əmələ gəlməsi deyirlər.

Digərləri, qara dəlikli ikili sənədlərin nisbi olaraq qalaktikaların əclaf olduğu yerlərdə ulduz cütü kimi başlamalarını təklif edirlər. Birlikdə uzun və xaotik bir həyatdan sonra onlar da partlayaraq bir-birinin ətrafında dövr etməyə davam edən “təcrid olunmuş” cüt qara deşik yaradırlar. Chicago Universitetinin astrofiziki Daniel Holz deyir: "Bunun dinamik və təcrid olunmuş modellər arasındakı bir mübarizə olduğuna dair bir fikir var".

Bir çox nəzəriyyəçinin yalnız bir ikili-qara dəlik meydana gəlməsi kanalını müdafiə etmə meyli qismən çox az məlumatla işləmək praktikasından irəli gəlir. Holz deyir: "Hər bir hadisə sevgi ilə təhlil edildi, obsesifləşdi və narahat oldu". "Bir təsbit edərdik və insanlar bir və ya iki qara dəlik nümunə ölçüsündən çox geniş ifadələri mücərrəd etməyə çalışardılar."

Həqiqətən də, astrofiziklər ilk aşkarlamanı əks fikirlər üçün mübahisə etmək üçün istifadə etdilər. LIGO ilk qara dəlik birləşməsini son dərəcə sürətli bir şəkildə tapdı - əslində rəsmi müşahidə başlamazdan əvvəl - qara dəlikli ikili sistemlərin kainatda çox yaygın olduğunu irəli sürdü. Təcrid olunmuş qara dəliklər geniş bir astrofizik mühitdə meydana gələ bildiyindən, təcrid olunmuş qara dəliklərə üstünlük verən nəzəriyyələr bir çox birləşmə görəcəyimizi proqnozlaşdırır.

Digərləri, ilk birləşmənin qeyri-adi dərəcədə böyük qara deliklərə sahib olduğunu və bu nəhənglərin varlığının dinamik nəzəriyyəni dəstəklədiyinə işarə etdilər. Bu böyük qara dəliklərin düşündükləri kimi, yalnız ulduz qruplarının meydana gəldiyini düşündükləri zaman ilk kainatda edilə bilər.

Ancaq birinin nümunə ölçüsü ilə belə iddialar yalnız savadlı təxminlər ola bilər, deyir Carnegie Mellon Universitetinin astrofiziki Carl Rodriguez.

İndi LIGO-nun son kataloqundan alınan məlumatlar, qara dəlikli ikili sənədlərin gözləniləndən daha az yayılmış olduğunu göstərir. Əslində, indi müşahidə edilən qara dəliklərin birləşmə dərəcəsi, ulduz qrupları tərəfindən “tamamilə izah edilə bilər”, keçən ayın sonunda Rodriguez və onun əməkdaşları tərəfindən dərc edilmiş bir çap nəşrinə görə.

Bundan əlavə, yeni birləşmələr qara dəliklərin haradan gəldiyi ilə bağlı tapmacaya yeni bir yanaşma təmin etdi. Tutulmayan təbiətlərinə baxmayaraq, qara dəliklər çox sadədir. Kütlə və yükdən başqa bir qara dəliyin sahib ola biləcəyi tək xüsusiyyət spindir - bunun nə qədər sürətlə fırlandığının ölçüsüdür. Bir cüt qara dəlik və yarandıqları ulduzlar bütün həyatlarını birlikdə yaşayarlarsa, davamlı itələmə və çəkmə onların spinlərini düzəldir. Ancaq sonrakı həyatda iki qara dəlik bir-biri ilə qarşılaşsa, fırlanmaları qeyri-bərabər olacaqdır.

LIGO məlumat dəstindəki qara dəliklərin spinini ölçdükdən sonra, astronomlar indi dinamik və təcrid olunmuş ssenarilərin demək olar ki, eyni dərəcədə olmasını təklif edirlər. Chicago Universiteti astrofiziki Michael Zevin və əməkdaşları son bir əvvəlcədən yazdıqlarında, bu yeni və artan qara dəlikli ikili əhalini birlikdə izah edə biləcəyini yazdılar.

"Ən sadə cavab həmişə düzgün deyil" deyə Zevin söyləyir. “Bu, daha mürəkkəb bir mənzərədir və şübhəsiz ki, daha böyük bir problemdir. Ancaq düşünmək də daha əyləncəli bir problemdir. ”

LIGO və onun bacısı Rəsədxanası Qızlar zaman keçdikcə daha həssas böyüdülər, yəni indi Yerdən daha uzaqda və zamanla çox geridə olan toqquşan qara dəlikləri görə bilirlər. Fishbach, "Kainatın indikindən daha gənc olmasına qədər kainatın həqiqətən böyük bir hissəsini dinləyirik" deyir.

Bu yaxınlarda hazırlanan bir çapda, Fishbach və onun əməkdaşları, kosmik tarixin fərqli nöqtələrində müşahidə edilən qara dəlik tiplərindəki fərqlərin əlamətlərini tapdılar. Xüsusilə daha ağır qara dəliklər kainat tarixində daha erkən görünür.

Bu, bir çox astrofizikçi üçün kainatın ilk ulduzlarının nəhəng hidrogen və helium buludlarından əmələ gəlməsini gözlədiklərini və sonrakı ulduzlardan daha böyük olacağını gözlədiklərini gözləyir. Bu ulduzlardan yaranan qara dəliklər də nəhəng olmalıdır.

Ancaq ilk kainatda baş verənləri proqnozlaşdırmaq, onu müşahidə etmək başqa bir şeydir. "Həqiqətən [qara dəliklərdən] kosmik zaman içində kainatın ulduzları necə yaratdığını və bu ulduzları və ulduz qruplarını meydana gətirən qalaktikaların necə bir araya gəldiyini izləyən bir iz olaraq istifadə edə bilərsiniz" deyir. "Və bu, həqiqətən sərinləşməyə başlayır."

Tədqiqat, kosmosu araşdırmaq üçün radikal bir vasitə kimi qara dəliklərin böyük məlumat dəstlərindən istifadə edilməsinə yönələn ilk addımdır. Astronomlar, Lambda-CDM olaraq bilinən kainatın necə inkişaf etdiyinə dair heyrətamiz dərəcədə dəqiq bir model yaratdılar. Ancaq heç bir model mükəmməl deyil. Massachusetts Texnologiya İnstitutunun astrofiziki Salvatore Vitale deyir ki, cazibə dalğaları kosmologiya tarixindəki bütün digər metodlardan tamamilə müstəqil olan kainatı ölçmək üçün bir yol təqdim edir. “Eyni nəticələri əldə etsəniz, gecə daha yaxşı yatacaqsınız. Bunu etməsəniz, bu potensial bir anlaşılmazlığa işarə edir. ”

Nəzəriyyətçilər indi bir çox qara dəlik meydana gəlməsi ssenarilərini özündə cəmləşdirən və hər birinin kainat tarixində necə inkişaf edə biləcəyini düşünməyən modellər hazırlayırlar. Qravitasiya dalğası fizikləri ümid edirlər ki, yaxın aylarda və illərdə bu suallara inamla cavab verəcəklər.

"Biz yalnız səthi cızırıq" deyir Kalogera. “Nümunə bizə möhkəm bir cavab vermək üçün hələ çox kiçikdir, lakin bunların 100-ü və ya 200-ü [birləşmə] olduğumuz zaman, aydın cavablarımızın olacağını düşünürəm.


Kəşf ilə sürprizlər çoxdur

Tapıntıların iki xüsusi hissəsi var: biri, cüt dəlik ölçüləri, xüsusən də 85 günəş kütləsi və ikisi, son qara dəliyin özü.

Qara dəliklər yerdəki cazibə qüvvəsinin o qədər güclü olduğu və heç bir şeyin onlardan qaça bilməyəcəyi bölgələrdir. Ancaq hamısı bərabər şəkildə yaradılmamışdır.

Nəzəriyyəyə görə, günəş kütləsindən təxminən 10 dəfə çox olan ulduzlar qara dəlik yarada bilən böyük bir partlayışda - bir supernovada ölə bilər. Təxminən 65 dəfə daha böyük olan ulduzların özlərini məhv etdiklərinə inanılır. Ancaq 120 günəş kütləsindən çox olan ulduzların ömrünün sonunda birbaşa qara dəliyə düşdüyünə inanılır.

Beləliklə, 65 ilə 120 günəş kütləsi arasındakı qara dəliklər mövcud olmamalı deməkdir. Yenə də bu yeni kəşf, bu aralığa aid olan ikisini ehtiva edir. 85 günəş kütləsi olanı, xüsusilə ortada düşdüyü üçün maraqlıdır.

İZLƏ | İkili qara dəliklərin birləşmə simulyasiyası:

İndi son 142 günəş kütləsi olan qara dəliyə.

Ulduz kütləsindəki qara dəliklər var, astronomların günəş kütləsindən 10-100 qat qədər çıxa biləcəyinə inandılar. Bir çox qalaktikanın mərkəzində tapıla bilən supermassive qara dəliklər var. Bu canavarlar günəş kütləsindən milyonlarla, hətta milyard qat çox ola bilər.

Və 100 günəş kütləsi və ya daha yüksək olan qara dəliklər haqqında - orta kütləli qara dəliklər deyilən nəzəriyyələr mövcud olsa da, heç biri birbaşa müşahidə olunmamışdır.

& quot; Bu kəşfdən əvvəl heç bir müşahidə sübutu olmadı & quot; Goetz dedi. & quot; Bu, orta kütləli qara dəlik üçün ilk qəti dəlildir. & quot;


Qara dəlik-neytron ulduz toqquşmaları Kainatın genişlənməsi ilə bağlı mübahisələri həll etməyə kömək edə bilər

NASA-nın neytron ulduzunu yeyən bir qara dəliyin animasiyasından. Kredit: Dana Berry / NASA

Qara dəliklərin və neytron ulduzlarının şiddətli toqquşmalarını öyrənmək, Kainatın genişlənmə sürətinin yeni bir ölçüsünü təmin edə bilər və uzun müddətdir davam edən mübahisənin həllinə kömək edə bilər, UCL (London University College) tədqiqatçılarının rəhbərliyi altında yeni bir simulyasiya işini təklif edir.

Kainatın genişlənmə sürətini qiymətləndirmək üçün mövcud iki ən yaxşı üsulumuz - pulsasiya edən və partlayan ulduzların parlaqlığını və sürətini ölçmək və Kainatın əvvəlindəki şüalanma dalğalanmalarına baxmaq - Kainat nəzəriyyəsinin səhv ola biləcəyini düşünərək çox fərqli cavablar verir.

Qara dəlik-neytron ulduzlarının toqquşması nəticəsində meydana gələn kosmos parçasındakı işıq və dalğalanma partlayışlarına baxan üçüncü bir ölçü növü, bu fikir ayrılığının aradan qaldırılmasına və Kainat nəzəriyyəmizin yenidən yazmağa ehtiyac olub olmadığını aydınlaşdırmağa kömək etməlidir.

Yeni araşdırma, nəşr olundu Fiziki Baxış Məktubları, 2020-ci illərin ortalarından sonlarına qədər yer üzündə alətlər tərəfindən neçə nəfərin aşkar ediləcəyini görməyi hədəfləyən 25.000 qara dəlik və neytron ulduzlarının toqquşma ssenarilərini simulyasiya etdi.

Tədqiqatçılar, 2030-cu ilə qədər Yerdəki alətlərin 3.000-ə qədər belə toqquşmanın səbəb olduğu kosmik zamandakı dalğaları hiss edə bildiklərini və bu hadisələrin təxminən 100-də teleskopların müşayiət olunan işıq partlayışlarını da görəcəyini tapdılar.

Bunun, Kainatın genişlənmə sürətinin yeni, tamamilə müstəqil bir ölçülməsini təmin edəcək, yeni fizikaya ehtiyac olduğunu təsdiqləyən və ya inkar edəcək qədər dəqiq və etibarlı bir məlumat olacağına qərar verdilər.

Baş müəllif Dr. Stephen Feeney (UCL Fizikası və Astronomiyası) dedi: "Neytron ulduzu çox böyük bir ulduz partladıqdan sonra çökdüyündə yaranan ölü bir ulduzdur və inanılmaz dərəcədə sıxdır - ümumiyyətlə 10 mil boyunca, lakin kütləsi qədərdir. Qara dəliklə toqquşması yer üzündə LIGO və Qız bürcləri ilə təsbit edə bildiyimiz cazibə dalğaları olaraq bilinən yer-zaman dalğalarına səbəb olan kataklizmik bir hadisədir.

"Biz hələ bu toqquşmalardan işığı aşkar etməmişik. Ancaq cazibə dalğalarını aşkarlayan cihazların həssaslığındakı irəliləyişlər, Hindistan və Yaponiyadakı yeni dedektorlarla birlikdə bu tip hadisələrin neçəsini edə biləcəyimiz baxımından böyük bir sıçrayışa səbəb olacaq. Bu inanılmaz dərəcədə həyəcanlı və astrofizika üçün yeni bir dövr açmalıdır. "

Kainatın Hubble sabiti olaraq bilinən genişlənmə sürətini hesablamaq üçün astrofiziklər astronomik cisimlərin Yerdən uzaqlığını və uzaqlaşma sürətini bilməlidirlər. Cazibə dalğalarının təhlili bizə müəyyən bir sürəti qoyaraq bir toqquşmanın nə qədər uzaq olduğunu izah edir.

Bir toqquşmaya ev sahibliyi edən qalaktikanın nə qədər sürətlə uzaqlaşdığını söyləmək üçün işığın "qırmızı sürüşməsinə" - yəni bir mənbənin yaratdığı işığın dalğa uzunluğunun hərəkəti ilə necə uzandığına baxırıq. Bu toqquşmaları müşayiət edə biləcək işıq partlayışları, toqquşmanın baş verdiyi qalaktikanı dəqiq müəyyənləşdirməyimizə kömək edəcək və tədqiqatçılara bu qalaktikadakı məsafə və sürüşmə ölçülərini birləşdirməyə imkan verəcəkdir.

Dr. Feeney, "Bu kataklizmik hadisələrin kompüter modelləri yarımçıqdır və bu araşdırma onları yaxşılaşdırmaq üçün əlavə bir motivasiya yaratmalıdır. Fərziyyələrimiz doğru olarsa, bu toqquşmaların çoxu aşkar edə biləcəyimiz partlayışlar törətməyəcək - qara dəlik iz qoymadan ulduz. Ancaq bəzi hallarda daha kiçik bir qara dəlik, neytron ulduzu yutmadan əvvəl parçalaya bilər və potensial olaraq elektromaqnit şüalanma yayan maddəni dəlik xaricində buraxır. "

Həmmüəllif professor Hiranya Peiris (UCL Fizika və Astronomiya və Stokholm Universiteti) bunları söylədi: "Hubble sabitindəki fikir ayrılığı kosmologiyanın ən böyük sirlərindən biridir. Bu tapmacanı açmağımıza kömək etməklə yanaşı, bu kataklizm hadisələrindəki boşluq dalğaları da açıqdır Kainata yeni bir pəncərə. Önümüzdəki on ildə bir çox həyəcan verici kəşflər edə bilərik. "

Cazibə dalğaları ABŞ-dakı iki rəsədxanada (LIGO Labs), biri İtaliyada (Qız), digəri Yaponiyada (KAGRA) təsbit edilir. Beşinci rəsədxana olan LIGO-Hindistan indi tikilməkdədir.

Kainatın genişlənməsinə dair ən yaxşı iki təxminimiz meqaparsek başına saniyədə 67 kilometr (3.26 milyon işıq ili) və meqaparsek üçün saniyədə 74 kilometrdir. Birincisi, kosmik mikrodalğalı fonun, Böyük Partlayışdan qalan radiasiyanın analizindən, ikincisi Yerdən fərqli məsafələrdəki ulduzları - konkret olaraq dəyişkən parlaqlığı olan Sefeydləri və Ia tip supernovalar adlanan partlayan ulduzları müqayisə etməkdən qaynaqlanır.

Dr. Feeney belə izah etdi: "Mikrodalğalı fon ölçməsinin Kainatın tam bir nəzəriyyəsinə ehtiyacı olduğu, ancaq ulduz metodu tələb etmədiyi üçün, fikir ayrılığı mövcud fiziki düşüncələrimizi mövcud anlayışımızın xaricində təəccüblü bir şəkildə təqdim edir. tamamilə müstəqil müşahidələrdən gələn fikir ayrılığının təsdiqinə ehtiyacımız var - inanırıq ki, bunlar qara dəlik-neytron ulduz toqquşmaları ilə təmin edilə bilər. "

Tədqiqat UCL, London İmperial Kolleci, Stokholm Universiteti və Amsterdam Universitetinin tədqiqatçıları tərəfindən aparılmışdır. Kral Cəmiyyəti, İsveç Tədqiqat Şurası (VR), Knut və Alice Wallenberg Vəqfi və Hollandiyanın Elmi Tədqiqatlar Təşkilatı (NWO) tərəfindən dəstəklənmişdir.


Elm adamları ilk dəfə uyğun olmayan iki qara dəliyin nadir qəzasını aşkar etdilər

Toqquşur qara dəliklər Bir ildir ki, kosmik bir cırıltılı astronomların çaşqınlığına görə, həmişə elm adamlarının gözlədiyi qədər bərabərləşmir.

12 aprel 2019-cu ildə cazibə dalğa detektorları toqquşan qara dəliklərin səbəb olduğu yer-zaman dalğalanması siqnalını aldı - özü də özü demək olar ki, dünyaya təməlqoyma son beş ildə. Ancaq elm adamları aşkarlamanı daha yaxından araşdırdıqda, bunun indiyə qədər gördükləri siqnallarla uyğun olmadığını başa düşdülər.

İki bərabər eşleşen qara dəlik əvəzinə, yeni aşkarlama, bir qara dəliyin digərindən üç-dörd qat daha kütləvi olduğu birləşdirilmiş birləşmə ilə ortaya çıxdı. Lazer İnterferometr Qravitasiya-dalğa Rəsədxanası (LIGO) ilə əlaqəli elm adamları kəşfi elan etdi 18 aprel Amerika Fiziki Cəmiyyətinin onlayn iclasında.

Yeni bir kəşfi təqdim edən Chicago Universitetinin doktorantı Maya Fishbach, "Çətin bir müşahidə" dedi. "Bu müstəsna bir hadisədir, çünki bu ilk 10 ikili qara dəliyə əsaslanaraq bunu gözləməzdik."

Elm adamları, LİGO-nun 2015 və 2017 arasında aparılan ilk iki müşahidə koşusu əsnasında bu 10 birləşməni araşdırdılar. Hər dəfə nə qədər böyük toqquşma olsa da, qarışan iki qara dəlik eyni ölçüdə idi. Sonra, sadəcə həftələr LİGO-nun üçüncü müşahidə qaçışına 2019-cu ildə yeni bildirilən siqnal meydana çıxdı və bu tendensiyanı başında çevirdi.

& ldquo Bundan əvvəl bir neçə ikili qara dəlik birləşməsini təsbit etmişdik, ancaq daha böyük qara dəliyin yoldaşından dörd qat daha çox olduğu birisini heç vaxt, "Frank Ohme, Almaniyada Max Planck Qravitasiya Fizikası İnstitutunun bir LIGO alimi, etdiyi şərhdə. "Oradakı qara dəlikli ikili sənədlərin müxtəlifliyini yeni anlamağa başladığımız açıqdır və hər gün kainatın sirlərini biraz daha açmaq üçün həyəcanlıyam."

Fishbach, yeni elan edilən kəşfdə təxminən 2,4 milyard işıq ili uzaqlıqdakı obyektləri əhatə etdiyini, bir qara dəlikdən təxminən səkkiz dəfə günəş kütləsi digəri isə günəşimizin kütləsindən təxminən 30 dəfə çoxdur.

"Bu, təqribən müntəzəm bir Oreo'nun doldurulmasının bir Mega Stuf Oreo'nun içindəki nisbətinə bərabərdir" deyə Northwestern Universitetinin qravitasiya dalğası alimi Christopher Berry, bir blog yazısında yazdı təsbit haqqında. (Çox həyəcanlanmayın: "Oreos və qara dəlik meydana gəlməsi arasındakı əlaqələrin araşdırılması davam edir" dedi.)

Algılama alimlərə qara dəliklərin necə birləşdiyini daha yaxşı başa düşməyə imkan verir. "Biz bu tip sistemlərin mövcud olduğunu və nə qədər nadir olduqlarını öyrənirik" dedi Giancarlo Cella, İtaliyada İstituto Nazionale di Fisica Nucleare tədqiqatçısı və LIGO-nun avropalı həmkarı Qız üçün məlumat təhlili koordinatoru, etdiyi şərhdə. "Bu, onların necə qurulduğunu çıxarmaq imkanı verəcəkdir."

Koronavirus pandemiyası ilə qısa müddətə kəsilən LIGO-nun üçüncü müşahidə koşusu xəzinə Fishbach, 50-dən çox algılamanın olduğunu söylədi. Elm adamları hələ də bu müşahidələri təhlil edirlər, buna görə digər balanssız birləşmələr bu məlumatlarda gizlənə bilər. Ancaq yalnız bir asimmetrik birləşmə belə, elm adamlarının indi gözləməyə hazır olduqları qara dəlik cütlərinin sırasını dramatik şəkildə dəyişdirir.

Fishbach, "Bu bir hadisə, əhali anlayışımızda irəliyə doğru böyük bir addımdır" dedi.

Yeni tədqiqat bir kağız LIGO əməkdaşlığı tərəfindən 18 aprel tarixində göndərilmiş, lakin hələ dərc olunmamış və ya nəzərdən keçirilməmişdir.

Sınırlı bir zaman kəsiyində, ən çox satılan elm jurnallarımızdan hər birinə ayda yalnız 2.38 dollar və ya ilk üç ay üçün standart qiymətdən 45% endirimlə rəqəmsal bir abunə götürə bilərsiniz.

Ən son missiyalarda, gecə səmasında və daha çoxunda danışmaq üçün Space Məkanlarımıza qoşulun! Bir xəbər ipucu, düzəliş və ya şərhiniz varsa, bizə bildirin: [email protected]

Kütlə fərqinin böyük olacağı mənasını verən yüksək əhəmiyyətə sahib bir müşahidə. Daha böyük qara dəliyin (düz kütlə birləşməsindən daha asan olan) böyük bir təyyarədəki fırlanmasını görsələr də, təmiz qara dəliklər arasındakı birləşmə olduğunu inkar edə bilməzlər. Başqa bir şey, hiyerarşik birləşmə - artıq birləşmə nəticəsi olan daha böyük qara dəlik maraqlı görünür! Bəzi üçlü ulduz sistemlərinin olduğu sıx bir dəstədə bir doğum yeri olma ehtimalı var.

Kütləvi asimmetriya cazibə dalğa spektrlərindəki tək çalarları nəzərdə tuturdu, beləliklə ümumi nisbilik nəzəriyyəsini əvvəlkindən də artıq sınaqdan keçirə bilirdilər - hələ də yaxşı işləyir!

Bunu space.com məqaləsindən qeyd edirəm: "Yeni elan edilən kəşf, təqribən 2,4 milyard işıq ili məsafəsindəki obyektləri əhatə etdi" dedi Fishbach, biri qara dəliklə günəşimizin kütləsindən səkkiz dəfə, digəri isə bizim kütlədən təxminən 30 dəfə çox günəş. "

Bununla yanaşı, başqa bir hesabat məsafənin 1,9 ilə 2,9 milyard işıq ili arasında yayıldığını, LIGO və Qız detektorlarının qeyri-bərabər kütlələrlə ikili qara dəlik birləşməsindən ilk cazibə dalğasını tutduğunu göstərir. "GW190412, həm LIGO detektorları, həm də Qız detektoru tərəfindən 12 aprel tarixində müşahidə edildi. 2019, detektorların üçüncü müşahidəsi O3 əsnasında. Analizlər birləşmənin Yerdən 1,9 ilə 2,9 milyard işıq ili məsafədə baş verdiyini göstərir. Yeni qeyri-bərabər kütlə sistemi əvvəllər LIGO və əvvəllər müşahidə etdikləri bütün ikili fayllardan bənzərsiz bir kəşfdir. Qız detektorları təxminən iki oxşar kütlədən ibarət idi. "


Qara dəlik toqquşması: Nəzəriyyədən dəlillərə

Qara dəliyin yaradılması kainatdakı ən şiddətli hadisələrdən biridir. Kütləvi bir ulduzun partlayışlı çökməsindən yaranan qara dəlik, işıq da daxil olmaqla çox yaxın olan hər şeyi yeyən bir canavardır. Bəzi qara dəliklərin ətrafındakı məsələ böyük miqdarda elektromaqnit şüalanma mənbəyidir - radiasiya bizə qara dəlikləri “görməyə” imkan verir. Bir dəlik başqa bir qara dəliklə toqquşanda, yer özü hərəkət edir.

Qara dəliklərin toqquşması nəticəsində meydana gələn cazibə dalğalarının ilk dəfə Albert Einstein 1916-cı ildə proqnozlaşdırmışdı. Mütəmadi bir işıq dalğasından və ya hətta bir okean su dalğasından fərqli olaraq, cazibə dalğası heç bir hissəcik tərəfindən daşınmır. Bunun əvəzinə, cazibə dalğası, məkan zamanının parçası özü dalğalandıqda və ya titrədikdə meydana gəlir. Bu kiçik fenomeni birbaşa müşahidə etmək çox çətin olardı, ancaq qara dəlik toqquşması kimi kütləvi bir hadisə nəzəri olaraq belə aşkar edilə bilən bir nəticə verə bilər - əgər onu ölçmək üçün kifayət qədər həssas bir yolunuz varsa.

Lazer İnterferometrinin Qravitasiya-Dalğa Rəsədxanasına daxil olun. Nəhayət, cazibə dalğalarının mövcudluğunun birbaşa təsdiqini təmin edən və qara dəliklərin toqquşması ilə nəticələnən hadisələrə baxmaq üçün yeni bir yol təqdim edən NSF tərəfindən maliyyələşdirilən bir obyekt haqqında daha çox məlumat əldə etmək üçün oxuyun.

1970-80-ci illər

NSF, 1970-ci illərin sonunda interferometriya adlı bir texnikadan istifadə edərək cazibə dalğa detektorlarının inkişafı ilə bağlı tədqiqatları maliyyələşdirməyə başladı. Məsələn, LIGO kimi bir interferometr təsbit edərək işləyir müdaxilə iki işıq mənbəyi arasında. İki işıq dalğasının eyni dalğa uzunluğu varsa, üst-üstə düşəcək və qaranlıq və parlaq ləkələr nümunəsi yaradacaqlar. LIGO bu prinsip əsasında işləyir, işıq iki uzun (4 km və ya 2 mil!) Qolları endirdi və qolların uclarındakı güzgülər vasitəsilə mərkəzi detektora əks olundu. Güzgülərin hər hansı bir incə hərəkəti - və ya daha dəqiq desək, ətraflarındakı boşluq, ən azı bir qoldan geri dönən işığın fərqinə səbəb olardı. Bir qol yüngülcə uzanarsa, detektordakı müdaxilə qaydası dəyişəcəkdir.

1990 və 2000-ci illər

LIGO əslində biri Hanford, Washington, digəri Livingston, Louisiana'da yerləşən iki qardaş müəssisəsidir. İki rəsədxananın bir-birindən bu qədər aralı olduğu bir vaxtda, elm adamları, hər iki müəssisə tərəfindən təsbit edilən bir şeyin Yerdəki lokal titrəmələrin deyil, gerçək bir siqnal olduğuna daha əmin ola bilər. 1999-cu ildə cüt obyekt üçün on illik inşaat prosesi başa çatdıqda, müşahidələr nəhayət başlaya bilər.

LIGO fəaliyyətə başladığı üçün mürəkkəb astrofizik suallar üzərində işləyən tədqiqatçıları və tələbələri dəstəklədi. LIGO, orijinal dizaynı ilə cazibə dalğalarına dair bir dəlil tapmasa da, hələ də vacib sualları cavablandırmağa kömək edirdi. Erkən tapıntılar nəzəriyyəçilərin kainat anlayışımızı saflaşdıraraq, neytron ulduzlarını və hətta Böyük Partlayışı təsvir etmək üçün nəzərdə tutulan bəzi modelləri "kənarlaşdırmasına" kömək etdi. LIGO, özünü qolları arasındakı ən kiçik məsafədəki dəyişiklikləri aşkar edə bilən inanılmaz dərəcədə həssas bir cihaz olaraq qururdu (daha qısa bir on mininci bir protonun eni!) və titrəməli səs-küylə həqiqi siqnalları etibarlı şəkildə ayırd edə bilir.

LIGO eyni zamanda ətraf icmalardakı müəllimlər və ailələr üçün bir qaynağa çevrildi. Livingston'daki Elm Təhsil Mərkəzi 2006-cı ildə açıldı və keçən il Hanford'daki yeni bir Kəşfiyyat Mərkəzinin inşasına başladı.

2010-cu illər və bu gün

Fəaliyyətinin ilk onilliyindən dərs alaraq, LIGO dizaynını xeyli yeniləyib və Advanced LIGO planları meydana çıxdı. Bu inkişaf etmiş yeniləmələr 2015-ci ildə tamamlandı və LIGO dərhal üçün nəzərdə tutulmuş böyük elmi xəbərləri verdi: Qravitasiya dalğaları tapıldı!

Qravitasiya dalğa siqnalı, səs siqnalı, Einşteynin təxminən 100 illik proqnozunu bacarıqla sübut etdi və çox mesajlı astrofiziki tədqiqatların yeni bir dövrünün qapısını açdı. Qravitasiya dalğalarını aşkar etməyin etibarlı bir yolu ilə tədqiqatçılar artıq kosmosda axtarmaq üçün yeni bir imza əldə etdilər. Bu ilk kəşfdən bəri altı il ərzində LIGO onlarla qara dəlik birləşmə hadisəsini təsbit etdi. Həm də neytron ulduzlarının - supernova partlayışlarından sonra qalan sıx, ölü ulduzların toqquşması nəticəsində yaranan bir ovuc digər cazibə dalğa hadisəsini müşahidə etmişdir.

Yalnız son bir ildə LIGO bir sıra təəccüblü kəşflər etdi: iki bərabər olmayan ölçülü qara dəliyin birləşməsi, ən ağır neytron ulduzu və ya indiyə qədər aşkar olunan ən yüngül qara dəlik ola biləcək sirli bir obyektin aşkarlanması, ən böyüyü cazibə dalğa mənbəyi hələ aşkar edilmişdir və gənc kvant dalğalanmalarının həqiqətən həssas güzgülərini hərəkət etdirmək üçün kifayət edə biləcəyinə dair dəlillər.

Qravitasiya dalğalarının ilk kəşfindən yalnız iki il sonra, LIGO-nun qurucuları Barry Barish və Caltech-dən Kip Thorne və MIT-dən Rainer Weiss, LİGO üzərində onilliklər öncül çalışmalarına görə 2017-ci il fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görüldülər. Və yalnız bu il, 3 Fevral tarixində Elektrik və Elektronik Mühəndisləri İnstitutu, LIGO-ya və italiyalı həmkarı təsis olan Qıza, eyni kəşf üçün Milestone mükafatını verdi.

NSF, tarixi cingiltili tutmaq üçün orada olan sənədli heyəti maliyyələşdirdi. Vimeo-da pulsuz yayımlanan təməlqoyma LIGO kəşflərində mükafat qazanan sənədli filmə baxa bilərsiniz. Sənədli filmə Nobel mükafatı mərasimi daxildir.

Qara dəlik və cazibə dalğası araşdırmalarına səyahət hələ bitməyib, bu səbəbdən gələcək həyəcanlı inkişafları izləyin.


Birdən iki

Astronomlar potensial qara dəlik-neytron ulduzlarının birləşməsini görəndə artıq sürətlə işləyirdilər. 25 aprel UTC ilə saat 08: 18: 26-da, başqa bir dalğa qatarı Livingston, Louisiana və Qızdakı LIGO dedektoruna dəydi. (O vaxt LIGO-nun Hanford, Washington) ikinci maşını qısa müddətdə işdən çıxdı.)

Hanna deyir ki, bu hadisə iki birləşən neytron ulduzunun aydın bir hadisəsi idi - belə bir hadisənin ilk tarixi kəşfindən təxminən iki il sonra 2017-ci ilin avqustunda edildi.

Tədqiqatçılar ümumiyyətlə belə bir çağırış edə bilərlər, çünki dalğalar Günəşdən təxminən iki qat ağır və ya neytron ulduzlarının olacağı gözlənilən cisimlərin cisimlərinin kütlələrini ortaya qoyur. Hanna deyir ki, dalğaların yüksəkliyinə əsaslanaraq tədqiqatçılar toqquşmanın təxminən 150 meqaparsek (500 milyon işıq ili) uzaqda baş verdiyini təxmin etdilər. Bu, 2017-ci ilin birləşməsindən təxminən üç dəfə çox idi.

GROWTH-un rəqiblərindən olan Las Cumbres Rəsədxanasında işləyən Tel-Əviv Universitetinin astrofiziki Iair Arcavi, Multi-Messenger Astrophysics (EMMA) - bu hadisələri çoxsaylı şəkildə müşahidə etmək praktikası adlı konfransda iştirak etmək üçün Merilendin Baltimore şəhərində idi. dalğa boyları. 25 Aprel hadisəsinin xəbərdarlığı səhər 5: 01-də gəldi: "Mənə mətn mesajı göndərmək üçün qurdum və məni oyatdı" deyir.

Normalda bir-biri ilə rəqabət aparacaq olan astronomlar noutbukları ilə qəhvə masaları ətrafında oturarkən məlumat mübadiləsi aparan yığıncağı bir fəaliyyət fırtınası bürüdü. "# EMMA2019'da burada düşüncəmizi itiririk" deyə tweeteddi astronom Andy Howell.

Fizikanı yenidən formalaşdıran qara dəlik toqquşması

Ancaq bu vəziyyətdə, başqalarından fərqli olaraq, LIGO və Qız, dalğaların gəldiyi istiqaməti təyin edə bilmədilər. Tədqiqatçılar yalnız siqnalın səmanın dörddə birini əhatə edən geniş bir bölgədən olduğunu söyləyə bilər. Ertəsi gün bölgəni biraz daraltdılar.

Still, astronomers have well-honed machines for doing just this type of search, and the data they collected the following night should ultimately reveal the source, Kasliwal says. “If it existed in that region, there’s no way we would have missed it.”

In the 2017 neutron-star merger, the combination of observations in different wavelengths produced a stupendous amount of science. Two seconds after the event, an orbiting telescope detected a burst of gamma rays — which were presumably released when the merged star collapsed into a black hole. And some 70 other observatories were busy for months, watching the event unfold across the electromagnetic spectrum, from radio waves to X-rays.

If the 26 April event is not a black hole–neutron star merger, it is probably also a collision of neutron stars, which would bring the total detections of this type up to three.


Forbidden masses

Since 2015, LIGO and Virgo have provided new insights into the cosmos by sensing gravitational waves. These ripples in the fabric of space-time can reveal events such as the mergers of black holes that would not normally be visible with ordinary telescopes.

From the properties of the gravitational waves, such as how they change in pitch, astrophysicists can estimate the sizes and other features of the objects that produced them as they were spiralling into each other. This has revolutionized the study of black holes, providing direct evidence for dozens of these objects, ranging in mass from a few to about 50 times the mass of the Sun.

How gravitational waves could solve some of the Universe’s deepest mysteries

These masses are consistent with black holes that formed in a ‘conventional’ way — when a very large star runs out of fuel to burn and collapses under its own weight. But the conventional theory says that stellar collapse should not produce black holes between about 65 and 120 solar masses. That’s because towards the end of their lives, stars in a certain range of sizes become so hot in their centres that they start converting photons into pairs of particles and antiparticles — a phenomenon called pair instability. This triggers the explosive fusion of oxygen nuclei, which rips the star apart, completely disintegrating it.

In their latest discovery, the LIGO and Virgo detectors sensed only the last four ripples produced by the spiralling black holes, with a frequency that rose from 30 to 80 Hertz within one-tenth of a second. While relatively smaller black holes continue to ‘chirp’ up to higher frequencies, very large ones merge earlier, and barely enter the lower end of the frequency range to which the detectors are sensitive.

In this case, the two objects were estimated to weigh around 85 and 66 solar masses. “This is quite neatly in the range one would expect the pair-instability mass gap should be,” says LIGO astrophysicist Christopher Berry at Northwestern University in Evanston, Illinois.

Selma de Mink, an astrophysicist at Harvard University in Cambridge, Massachusetts, puts the cut-off for pair instability even lower, perhaps at 45 solar masses, which would push the lighter of the two objects firmly into the forbidden zone, too. “For me, both black holes are uncomfortably massive”, she says.


Gravitational waves reveal unprecedented collision of heavy and light black holes

Researchers with the world’s gravitational wave detectors said today they had picked up vibrations from a cosmic collision that harmonized with the opening notes of an Elvis Presley hit. The source was the most exotic merger of two black holes detected yet—a pair in which one weighed more than three times as much as the other. Because of the stark mass imbalance, the collision generated gravitational waves at multiple frequencies, in a harmony Elvis fans would recognize. The chord also confirms a prediction of Albert Einstein’s theory of gravity, or general relativity.

Such mismatched mass events could help theorists figure out how pairs of black holes form in the first place. “Anything that seems to be at the edge of our predictions is most interesting,” says Chris Belczynski, a gravitational theorist at the Polish Academy of Sciences, who was not involved in the observation. But the one event is “not quite in the regime where you can tell the different formation [routes] apart.”

Physicists first detected gravitational waves in 2015, when the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), a pair of detectors in Washington and Louisiana, spotted two black holes spiraling into each other, generating infinitesimal ripples in spacetime. Two years later, the Virgo detector near Pisa, Italy, joined the hunt, and by August 2017, the detectors had bagged a total of 10 black hole mergers.

All involved pairs of black holes with roughly equal masses, says Maya Fishbach, a physicist and LIGO member at the University of Chicago. But on 12 April 2019, the three detectors detected a black hole merger 2.4 billion light-years away in which one weighed 30 solar masses and the other just eight, says Fishbach, who reported on the event at the American Physical Society’s online April meeting. “This is the first event in which we can confidently say the mass-ratio is not one,” she says.

Ordinarily, two spiraling black holes pump out gravitational waves concentrated at a single frequency: double the rate at which they orbit each other. That doubling arises because of the matched masses of the black holes. Every half orbit they return to a position that’s effectively identical to their original one. But if the black holes have distinctly different masses, then general relativity predicts that they should also generate weaker waves at higher frequencies, or overtones.

The next strongest note sung by the pair should vibrate at three times the orbital frequency, or 1.5 times the main gravitational wave frequency. If the main frequency were a C on a piano, the overtone would be the next higher G—a perfect fifth, and the interval of the first two notes in the melody of Presley’s hit “I Can’t Help Falling in Love with You.” That is what the LIGO and Virgo researchers detected, says Maximiliano Isi, a physicist and LIGO member at the Massachusetts Institute of Technology, who also spoke at the meeting. The overtone rang roughly as loudly as predicted by general relativity, Isi says. “Einstein prevails again.”

Such oddball events might help researchers figure out how the black holes pair in the first place. That’s a puzzle because it’s not obvious how such big black holes can form so close together. Theorists have two general ideas. The pairs could originate from a pair of orbiting massive stars, which each collapse into black holes at the ends of their lives. Alternatively, in so-called dynamical models, the black holes might form completely separately and find each other across space and time, a scenario more likely in globular clusters, the dense clumps of stars found in the outer reaches of galaxies.

Either scenario can probably account for the mismatched black holes in this event, Belczynski says. “If it [the mass ratio] had been 10-to-one I would have bet on the dynamical models,” he says, as binary star systems generally don’t form with such skewed ratios. Fishbach agrees that the single event isn’t enough to rule out one scenario or the other. But she says that if LIGO and Virgo spot more mismatched events, the statistical distributions could suggest which scenario is more likely.

However, the event could have a more complex origin, says Emanuele Berti, a gravitational wave astronomer at Johns Hopkins University. The fact that the one black hole is so much heavier than the other and appears to be spinning fast suggest that it, too, was the product of a merger. “It looks quiet like the product of a multiple-generation merger,” he says.

More peculiar collisions might be waiting among the dozens of recorded events that researchers have yet to analyze. LIGO and Virgo’s observing run three, which went from 1 April 2019 to 26 March, picked up 56 new gravitational wave events, more than five times the previous total. LIGO and Virgo researchers had hoped to finish a global analysis of roughly half that data set by now, but the coronavirus pandemic delayed them, says Patrick Brady, a physicist at the University of Wisconsin, Milwaukee, and spokesperson for the LIGO scientific collaboration. Belczynski says he’s anxious to see those results. “I’m just sitting here with my students, my entire group, waiting for this paper.”


Colliding black holes send gravitational waves rippling through space

Three billion years ago, in a third of a second, two black holes crashed into each other and merged into a single entity, converting two solar masses into energy that shook the fabric of spacetime, sending gravitational ripples across the universe that were detected on Earth last January, researchers announced Thursday.

It was the third confirmed detection of coalescing black holes detected so far by the U.S.-led Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, or LIGO, a project made up of two observing stations, one near Hanford, Washington, and the other 1,800 miles away near Livingston, Louisiana, and hundreds of scientists around the world. The observations confirmed a prediction first made by Albert Einstein a century earlier.

As the gravitational waves passed by, they caused space to lengthen in one direction and compress in the other, squeezing and stretching the LIGO detectors ever so slightly and causing laser beams to cover slightly different distances as they bounced back and forth between massive mirrors.

Exhaustive tests and analyses confirmed the reality of the signal in another milestone for the growing field of gravitational wave astronomy.

"We have observed, on the fourth of January, 2017, another massive black hole-to-black hole binary coalescence, the merging of black holes roughly 20 and 30 times the mass of our sun," David Shoemaker, the spokesperson for the LIGO Scientific Collaboration, told reporters.

"The key thing to take away from this third event is we're really moving from novelty to new observational science, a new astronomy of gravitational waves."

The discovery was detailed in a paper accepted by the journal Physical Review Letters.

Space & Astronomy

The ripples detected by LIGO indicate the single black hole formed by the merger has a mass of about 49 times that of the sun, midway between the black holes detected by LIGO in September and December 2015. Two times the mass of Earth's sun was converted directly into energy in a fraction of a second.

Black holes are among the most bizarre objects in the known universe. They are believed to form when massive stars run out of nuclear fuel at the end of their lives. Without the outward pressure generated by nuclear fusion to offset the inward pull of gravity, the core suddenly collapses as the star is blown apart.

LIGO has discovered a new population of black holes with masses that are larger than what had been seen before with X-ray studies alone (purple). The three confirmed detections by LIGO (GW150914, GW151226, GW170104), and one lower-confidence detection (LVT151012), point to a population of stellar-mass binary black holes that, once merged, are larger than 20 solar masses. LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)

For stars similar to the sun, core collapse stops due to quantum mechanical effects and a white dwarf remains, a compact remnant that slowly radiates its residual heat away into space. The cores of more massive stars can collapse even further, crushed to the point where protons merge with electrons. The result is a city-size ball of neutrons with the density of an atomic nucleus.

The cores of even more massive stars can collapse past the neutron star state, disappearing from the observable universe. Their gravity is so strong not even light can escape.

A major question mark is how binary black hole systems like those observed by LIGO form.

One school of thought holds the binary black holes form when two already paired stars explode and collapse to the ultimate state, spiraling into each other in a cataclysmic crash. The spins of each pre-merger black hole likely would be aligned with respect to their orbital motion.

A second theory holds that black holes form separately and later became gravitationally bound. In that case, the spins would be more randomly oriented.

The LIGO observatory near Hanford, Wash., one of two built to detect gravitational waves. The second observatory is in Louisiana. LIGO/Caltech/MIT

LIGO's latest discovery "likely favors the theory that these two black holes formed separately in a dense stellar cluster, sank to the core of the cluster and then paired up rather than being formed together from the collapse of two already paired stars," said Laura Cadonati, a LIGO researcher at the Georgia Institute of Technology.

"This is an important clue in understanding how black holes form," she said. "We have found a new tile to put in the puzzle of understanding the formation mechanism."

Gravitational waves were predicted in 1916 by Einstein's general theory of relativity. The equations showed that massive bodies under acceleration, like binary black holes or the collapsing cores of huge stars in supernova explosions, would radiate gravitational energy in the form of waves distorting the fabric of space.

The waves would spread out in all directions, traveling at or near the speed of light. But detecting them is a major challenge. By the time a wave from an event many light years away reaches Earth, its effects are vastly reduced, becoming hard-to-detect ripples rather than powerful waves.

To detect those ripples, the LIGO observatories were designed to measure changes in distance that are vastly smaller than the width of an atomic nucleus.

"Gravitational waves are distortions in the metric of space, in the medium that we live in," said Michael Landry, director of the LIGO observatory near Hanford. "Normally, we don't think of the nothing of space as having any properties at all, so it's quite counter intuitive that it could expand or contract or vibrate.

"But that's what Einstein's relativity tells us. When a gravitational wave passes, the medium that we live in is distorted, and that causes what looks to us like length changes."

By way of analogy, Landry likened spacetime to the canvas of a painting.

"If I stretch the medium of a painting, I can see the painting get distorted," he said. "It's the medium that's vibrating, that's really what a gravitational wave is, and so we register the passage of those gravitational waves by comparing the length of the two long arms of our L-shaped detector."

How LIGO observatories work

Each LIGO observatory features a pair of 2.5-mile-long vacuum tubes arranged in an L shape in which precisely tuned laser beams flash back and forth between multiple mirrors that effectively increase the distance each beam travels to nearly 1,000 miles. The laser beams then are recombined and directed into a sensor.

If the laser beam in each vacuum tube travels exactly the same distance before it is recombined, the LIGO detectors do not "see" anything. But if gravitational waves pass through, that distance would change very slightly in a very predictable way, affecting the path of the laser beams.

The resulting interference patterns allow scientists to compute the masses involved and, in some cases, how the initial black holes were spinning with respect to their orbital motion.

The LIGO system features two widely separated observing stations to make sure a local vibration is not misinterpreted. A confirmed gravitational wave must be seen by both stations at roughly the same time.

And that's precisely what the LIGO researchers found in the three confirmed cases to date. The first two events happened 1.3 and 1.4 billion light years away respectively. The collision that generated the waves detected in January occurred some 3 billion light years away.

"It is remarkable that humans can put together a story, and test it, for such strange and extreme events that took place billions of years ago and billions of light-years distant from us," Shoemaker said in a statement.

LIGO's current observing campaign runs through the summer. After that, upgrades are planned to increase the sensitivity of the detectors, possibly bringing less powerful events like neutron star mergers into view. And there's always a chance a nearby supernova or merger might occur, one that would give space a major shake.

"If one of this size were to actually coalesce in the Milky Way, it would make a marvelous signal for us, it would be enormously strong," said Shoemaker. "But the likelihood there's one in our Milky Way that's about to coalesce is very, very low, so that's not something that we're betting on."