Черные дыры звездной массы — это небесные объекты, рожденные в результате коллапса звезд с массами от нескольких до сотен раз больше, чем у нашего Солнца. Их гравитационное поле настолько сильное, что ни материя, ни излучение не могут уклониться от них, что делает их обнаружение чрезвычайно трудным.
Поэтому, когда в 2015 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила крошечную рябь в пространстве-времени, вызванную слиянием двух черных дыр, это было воспринято как переломный момент.
По словам астрофизиков, две сливающиеся черные дыры в источнике сигнала были примерно в 30 раз тяжелее Солнца и находились на расстоянии 1.5 миллиарда световых лет.
Лучевая трубка детектора LIGO – иллюстративное фото. Изображение предоставлено: Джефф Кейзер через Flickr, СС BY-SA 2.0
Соединяя теорию и наблюдение
Какие механизмы производят эти черные дыры? Являются ли они продуктом эволюции двух звезд, похожих на наше Солнце, но значительно более массивных, развивающихся в двойной системе? Или они возникают из-за того, что черные дыры в густонаселенных звездных скоплениях случайно сталкиваются друг с другом? Или может быть задействован более экзотический механизм? Все эти вопросы до сих пор являются предметом горячих дискуссий.
Коллаборация POSYDON, группа ученых из таких институтов, как Северо-Западный, Женевский университет (UNIGE) и Университет Флориды (UF), добилась значительных успехов в моделировании популяций двойных звезд. Эта работа помогает давать более точные ответы и согласовывать теоретические предсказания с данными наблюдений.
«Поскольку невозможно напрямую наблюдать за формированием сливающихся двойных черных дыр, необходимо полагаться на моделирование, которое воспроизводит их наблюдательные свойства», — сказала Симона Бавера, научный сотрудник отдела астрономии факультета естественных наук UNIGE и ведущий исследователь. автор исследования.
«Мы делаем это, моделируя системы двойных звезд от их рождения до образования систем двойных черных дыр».
Концепция художника показывает две сливающиеся черные дыры, подобные обнаруженным LIGO. Предоставлено: Аврора Симоннет/LIGO-Caltech-MIT-Sonoma State
Раздвигая границы моделирования
Интерпретация происхождения слияния двойных черных дыр, такого как наблюдаемое в 2015 году, требует сравнения предсказаний теоретической модели с фактическими наблюдениями. Метод, используемый для моделирования этих систем, известен как «синтез бинарной популяции».
«Этот метод моделирует эволюцию десятков миллионов двойных звездных систем, чтобы оценить статистические свойства результирующей популяции источников гравитационных волн», — сказал Анастасиос Фрагкос, доцент кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE.
«Однако, чтобы достичь этого в разумные сроки, исследователи до сих пор полагались на модели, которые используют приближенные методы для моделирования эволюции звезд и их двойных взаимодействий», — сказал он. «Следовательно, чрезмерное упрощение физики одиночных и двойных звезд приводит к менее точным предсказаниям».
POSYDON преодолел эти ограничения. Разработанное как программное обеспечение с открытым исходным кодом, оно использует предварительно вычисленную большую библиотеку подробных симуляций одиночных и двойных звезд для прогнозирования эволюции изолированных двойных систем.
Каждое из этих подробных симуляций может занять до 100 часов центрального процессора (ЦП) для запуска на суперкомпьютере, что делает этот метод моделирования неприменимым напрямую для синтеза бинарной популяции.
«Однако за счет предварительного расчета библиотеки симуляций, охватывающих все пространство параметров начальных условий, POSYDON может использовать этот обширный набор данных вместе с методами машинного обучения для прогнозирования полной эволюции бинарных систем менее чем за секунду», — сказал Джеффри Эндрюс, ассистент. профессор кафедры физики Уф.
«Эта скорость сравнима со скоростью кодов быстрого синтеза населения предыдущего поколения, но с повышенной точностью».
Представляем новую модель
ПОСИДОН, крупный проект по разработке кода, означает POнаселение SYтезис с Dдетальное моделирование бинарной эволюцииONс. Калогера и Тассос Фрагос, бывший доктор философии. студенты в группе Калогеры, являются соруководителями проекта, который начался на Северо-Западе в 2019 году при поддержке Фонда Гордона и Бетти Мур и Швейцарского национального научного фонда.
Фрагос, в настоящее время работающий в Женевском университете, является соавтором исследования. В этом году к сотрудничеству присоединился Университет Флориды.
Предыдущие модели переоценивали некоторые аспекты, такие как расширение массивных звезд, которое влияет на их потерю массы и двойные взаимодействия. Эти элементы являются ключевыми ингредиентами, определяющими свойства слияния черных дыр.
Благодаря полностью самосогласованному подробному моделированию звездной структуры и двойного взаимодействия POSYDON обеспечивает более точные предсказания свойств сливающихся двойных черных дыр, таких как их массы и спины.
В настоящее время исследовательская группа разрабатывает новую версию POSYDON, которая будет включать в себя большую библиотеку подробных звездных и двойных моделей, способных моделировать двойные системы в более широком диапазоне типов галактик.
Источник: Северо-Западного университета
