Računalna simulacija dvije spajajuće crne rupe koje proizvode gravitacijske valove. Ako je najnovija analiza NASA-inog Fermija točna, možda se neće stvoriti samo gravitacijski valovi. Kreditna slika: Werner Benger.

Spajanje crnih rupa ipak može stvoriti rafale gama-Raya

To više nije samo za spajanje neutronskih zvijezda.

U posljednje tri godine vjerovatno ne postoji veće znanstveno otkriće od izravnog otkrivanja gravitacijskih valova. Dva LIGO detektora, u Hanfordu, WA i Livingstonu, LA, pridružili su se prošle godine detektorom Virgo u Italiji. U kombinaciji, tri detektora mogu lokalizirati izvore gravitacijskog vala do neviđene preciznosti, s detekcijama u kolovozu točno na nebu od nekoliko kvadratnih stupnjeva. Otkrivanje elektromagnetskog kolege prvom spajanju neutronskih zvijezda-neutronskih zvijezda bilo je uzbudljivo i potpuno očekivano, otkrivajući da oni doista stvaraju gama-zrake. U ovom smo trenutku također vidjeli pet spajanja crne rupe-crne rupe, koje prema uobičajenoj teoriji ne bi trebale imati elektromagnetski usporednik. Ali najmasivniji par crnih rupa-crnih rupa koji se stopio, slučajno prvi koji je ikad otkriven, možda je imao gama-zračni par. Prema revidiranoj analizi NASA-inog tima Fermi, možda smo za kozmičku revoluciju.

Pet spajanja crnih rupa-crnih rupa koje je otkrio LIGO (i Djevica), zajedno sa šestim, nedovoljno značajnim signalom. Tek je prvi pokazao bilo kakve dokaze za prolaznost gama zraka, ali taj signal zapravo može predstavljati nešto stvarno. Kreditna slika: LIGO / Caltech / Sonoma State (Aurore Simonnet).

14. rujna 2015., valovi iz dvije spajajuće crne rupe nikad viđenog raspona masa, od 29, odnosno 36 sunčevih masa, dosegli su Zemlju nakon više od milijardu svjetlosnih godina. Signal, koji se pojavljivao samo nekoliko sekundi u dvostrukim LIGO detektorima, postao je prva robusna, izravna detekcija gravitacijskih valova, potvrđujući Einsteinovu najmonumentalniju teoriju na još jedan novi način. Ali iz svemira, dvije satelitske misije pratile su nebo istovremeno, radi pojave ultra-visokih energetskih pojava. S jedne strane, postojao je integralni satelit Europske svemirske agencije koji je mogao mjeriti gama zrake iznad određenog energetskog praga. S druge strane, NASA-in satelit Fermi također mjeri gama-zrake, ali sa svojim rasponom energije podijeljen je u uske odjele. Ono što je svaki tim vidio pokrenulo bi vatru javne rasprave.

Ova slika, snimljena u svibnju 2008. godine, dok je Fermi gama-svemirski teleskop spreman za lansiranje, naglašava detektore njegovog gama-rafalnog monitora (GBM). GBM je niz od 14 kristalnih detektora. Kreditna slika: NASA / Jim Grossmann.

Fermijev tim odmah je objavio priopćenje koje je okrenulo glave: tvrdili su dokaze za slab prolazni signal, tip koji se događa nekoliko puta svaki dan, kompenzirajući samo 0,4 sekunde od dolaska signala gravitacijskog vala. Signal je bio dovoljno jak (6σ) da ukazuje na to da je nešto stvarno postojalo samo na odnosu signal-šum, iako je relativno slab za puknuće gama zraka, što je obično događaj od ~ 20σ. Međutim, kada se pogledaju svi drugi učinci vremenskog slijeda, ekipa je tvrdila samo 2.9σ značaj da će se takav signal pojaviti kada se dogodi, padajući znatno ispod 5σ potrebnog za robusno otkrivanje.

Ipak, signal se činio uvjerljivim, što je potaknulo neko dobro opravdano uzbuđenje. Zbog tadašnje orijentacije Fermi detektora nije uspio posebno dobro lokalizirati izvor. (Budući da su u to vrijeme radila samo dva LIGO detektora, lokalizacija gravitacijskih valova također je bila vrlo loša.) Međutim, ne samo da Integral tim nije vidio nikakve dokaze za signal bilo koje vrste, već i članove zasebnog tima - uključujući bivše članove Fermijevog tima - tvrdili su da je Fermijeva analiza prožeta lošom znanošću. Ulozi u ovom argumentu nevjerojatno su visoki, pa su podaci iz dva detektora trebali biti usklađeni.

Ilustracija dviju crnih rupa koje se spajaju, jednake mase s onim što je LIGO vidio. Očekuje se da bi trebalo biti vrlo malo na putu elektromagnetskog signala koji se emitira iz takvog spajanja, ali prisutnost snažno zagrijane materije koja okružuje ove objekte mogla bi to promijeniti; buduća zapažanja nas mogu naučiti više. Bonus slike: SXS, projekt Simulacija eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Ako postoji gama-signal povezan sa spajanjem crnih rupa-crnih rupa, to najavljuje revoluciju u fizici. Crne rupe mogu imati nakupljene diskove i često mogu sadržavati opasne materijale koje se nalaze oko njih, a uvlače se iz međuzviježđa. U slučaju binarnih crnih rupa, mogu postojati i ostaci planeta i zvijezda potomstva koji lebde okolo, kao i potencijal da budu smješteni u neurednom području zvijezda. No središnje crne rupe same ne mogu zračiti. Ako nešto emitira s njihovog mjesta, to mora biti zbog ubrzane materije koja ih okružuje. U nedostatku magnetskog polja bilo gdje u blizini jakosti neutronskih zvijezda, nejasno je kako se može stvoriti takav energetski prasak.

Iako bi crne rupe trebale imati nakupljene diskove, a tvar koja pada s njih, to ne bi trebalo biti dovoljno tvari ili materijala za stvaranje gama-prolaznog vremena. Je li naša teorija jednostavno kriva? Bonus slike: NASA / Dana Berry (Skyworks Digital).

Ali to što ne razumijemo kako bi se nešto moglo dogoditi, ne znači i da je nemoguće. U fizici su, kao i u svim znanostima, eksperimenti, mjerenja i opažanja krajnji arbitar stvarnosti. Ako teorija ne uspije predvidjeti koje pojave se promatraju, to je problem teorije, a znanost mora raditi na tome da naša slika kako stvarnost djeluje u skladu sa samom prirodom. Ako je rezultat Fermi pravi, bio bi revolucionarni. Ali ako je tim Integrala ispravan - a analiza Fermijevog tima pogriješi - to jednostavno postaje još jedan svakodnevni "lažni alarm" koji će nestati s više podataka. Srećom, dva odvojena tima razgovarala su jedan s drugim, a obojica se slažu da sada postoje dobri razlozi da Fermi i Integral mogu vidjeti što su vidjeli.

Lokalizacija u ekvatorijalnim koordinatama GW150914 by LIGO (obojeni luk) i GW150914-GBM by GBM (1,2,2 σ konture u crno, crvenkasto zasjenjenje koje pokazuje gradijent vjerojatnosti). Kreditna slika: V. Connaughton i sur., ApJ, 853, L1 (2018).

I sama mogućnost astrofizičke revolucije bila bi dovoljna da ovaj prijedlog bude dostojan daljnje istrage. No, u novom radu objavljenom prije samo nekoliko tjedana Fermi tim je objavio najnovije rezultate sveobuhvatne analize cjelokupnog skupa njihovih podataka, koristeći obje vlastite metode i iste metode koje su prethodno voljeli članovi neovisnog tima. Kao što pokazuje nova analiza, korištenje jednog detektora stane vrlo je loš način za pokušaj umetanja signala; općenito, fluktuacije su prevelike. U stvari, veća fluktuacija od one koja vas zanima može se vidjeti samo 5 sekundi nakon činjenice.

Ovisno o tome koji postupak koristite za analizu i tumačenje svojih podataka, kao neovisni tim u 2016. godini možete dobiti beznačajan signal iznad pozadine (zlato) ili signal značajan na razini 3 sigme (ljubičasto), kao što je to činio tim Fermija. Najnoviji rad nadalje potvrđuje metodologiju Fermija tima. Kreditna slika: V. Connaughton i sur., ApJ, 853, L1 (2018).

Rješenje? Kao što je pokazano u ovom najnovijem radu, istodobno se koristi više kanala i više instrumenata koje je moguće otkriti. Glavni instrument koji može vidjeti ovaj signal na Integralu, SPI-ACS (spektrometar sa štitom protiv slučajnosti) ima samo jedan kanal koji spaja sve fotone. To je daleko manje osjetljivo na kolebanje koje se javlja samo u određenom energetskom rasponu. Tehnički govoreći, ima pod s velikom bukom. Ako pokušavate otkriti dodatnih deset fotona tijekom vremenske skale od 100 milisekundi, velika je razlika ima li vaš zvučni kat 100 fotona u tom vremenskom rasponu, nasuprot 10 000. Fermi, međutim, sondira više kanala istovremeno, kao i na više instrumenata.

Robusna analiza pokazuje da je fluktuacija „5 sekundi nakon“ samo fluktuacija koja se ne pojavljuje na ostalim instrumentima, dok je ona koja se javlja 0,4 sekunde nakon signala gravitacijskog vala doista prisutna. Ljubičasta traka predstavlja značaj signala u svim kanalima zajedno: detekcija koja ima samo 1-u-500 šanse da bude statistička fluktuacija.

Stope brojanja gama zraka od događaja koji je Fermi vidio. Ova brojka potječe iz izvornog papira iz 2016. godine koji tvrdi da je otkriven prijelazni signal. Ponovna analiza podataka pokazuje da su izvorni rezultati prikazani u njima vrlo dobro. Ovo nije sigurna otkrića, ali zanimljiv je događaj koji zaslužuje dodatnu pažnju. Bonus slike: Connaughton, V., Burns, E., Goldstein, A. i sur. 2016, ApJ, 826, L6.

Uza sve navedeno, statističke fluktuacije su i dalje česte! Ostala četiri spajanja crne rupe s crnom rupom nisu pokazala takav signal, a mnogi - možda čak i većina - obećavajući signali koji se pojavljuju na razini značajnosti ~ 3σ ispadaju kao rijetka kolebanja, a ne kao dokaz stvarnog fizičkog signala. Kad sonirate granice fizike, morate biti u potpunosti sigurni da se ne zavaravate. Zato je u eksperimentalnoj i opservacijskoj fizici 5σ zlatni standard.

Dakle, sve rečeno, što to znači? To znači da je Fermi satelit, u stvari, pouzdano otkrio nagovještaj kratkotrajnog, prolaznog gama-zraka koji je u skladu s pojavom na istom mjestu kao i signal gravitacijskog vala. Ako kombinirate signale sa svih detektora, ovdje je ograničeno područje na kojem se to moglo dogoditi.

Međutim, korelacija ovog događaja s spajanjem gravitacijskog vala nikako nije izvjesna. Ako je stvarno, možemo očekivati ​​sljedeće:

  • gama-zračni signali nisu povezani sa svim spajanjem crna rupa-crna rupa,
  • signal je vrlo slab u odnosu na spajanje neutronskih zvijezda-neutronskih zvijezda,
  • signal će doći specifičnom energijom, a ne širokim rasponom,
  • trebat će proći još mnogo otkrića da bismo otkrili da li i u kojoj mjeri gma zrake nastaju ovim kozmičkim kataklizmama.
U Svemiru se događaju mnogi događaji koji uzrokuju emisiju visokoenergetskih rafala. Mogu li spajanja crne rupe i crne rupe biti jedno od njih? Posljednji, ponovno analizirani rezultati tvrtke Fermi sugeriraju da je bolje da nastavimo gledati. Bonus slike: NASA-in Goddard Centar za svemirske letove.

S tri gravitacijska detektora valova postavljena da rade s poboljšanom osjetljivošću kad se dovrše trenutne nadogradnje, mi ćemo biti u mogućnosti mjeriti ne samo masu i spojeve spajanja crnih rupa-crnih rupa, već njihov položaj i kut nagiba. Ako ta spajanja doista emitiraju gama zrake, moći ćemo pronaći ovisnost gama zraka o tim parametrima. Nema razloga da vjerujemo da je ovo nešto više od malo vjerojatne fluktuacije u ovom trenutku, ali to nije samo artefakt loše analize podataka, kako su mnogi ranije tvrdili, uključujući i vašu. Spajanje crnih rupa i crnih rupa ipak može proizvesti gama zrake. Je li sugestivni signal pokazatelj stvarnog, iznenađujućeg, fizičkog fenomena? Trebat će vam više podataka, bolji podatak i veliki i raznovrstan niz događaja da bi se odgovorilo na pitanje. Ali to je ono što mi želimo. Na kraju, to je zapravo ono što znanost.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.