Чорні діри зоряної маси — це небесні об’єкти, що народилися в результаті колапсу зірок, маси яких у кілька сотень разів перевищують масу нашого Сонця. Їх гравітаційне поле настільки інтенсивне, що ні речовина, ні випромінювання не можуть уникнути їх, що робить їх виявлення надзвичайно складним.
Тому, коли в 2015 році Обсерваторія гравітаційних хвиль лазерного інтерферометра (LIGO) виявила крихітні хвилі в просторі-часі, спричинені злиттям двох чорних дір, це було сприйнято як переломний момент.
За словами астрофізиків, дві чорні діри, що зливаються в місці походження сигналу, приблизно в 30 разів перевищували масу Сонця і знаходилися на відстані 1.5 мільярда світлових років.
Променева трубка детектора LIGO – ілюстративне фото. Автор зображення: Джефф Кейзер через Flickr, CC BY-SA 2.0
Поєднання теорії та спостереження
Які механізми утворюють ці чорні діри? Чи є вони продуктом еволюції двох зірок, схожих на наше Сонце, але значно масивніших, що розвиваються в подвійній системі? Або вони є результатом випадкового зіткнення чорних дір у густонаселених зоряних скупченнях? Або може бути задіяний більш екзотичний механізм? Усі ці питання й сьогодні викликають гострі дискусії.
Співпраця POSYDON, група вчених з установ, включаючи Північно-Західний університет, Університет Женеви (UNIGE) і Університет Флориди (UF), досягла значних успіхів у моделюванні популяції подвійних зірок. Ця робота допомагає надати точніші відповіді та узгодити теоретичні прогнози з даними спостережень.
«Оскільки неможливо безпосередньо спостерігати за утворенням подвійних чорних дір, що зливаються, необхідно покладатися на симуляції, які відтворюють їхні властивості спостережень», — сказала Симона Бавера, докторант кафедри астрономії факультету природничих наук UNIGE та керівник автор дослідження.
«Ми робимо це шляхом моделювання подвійних зіркових систем від їх народження до формування подвійних систем чорних дір».
Концепція художника показує дві чорні діри, що зливаються, схожі на ті, які виявив LIGO. Авторство: Aurore Simonnet/LIGO-Caltech-MIT-Sonoma State
Розширюючи межі симуляції
Інтерпретація походження злиття подвійних чорних дір, наприклад тієї, що спостерігалася в 2015 році, вимагає порівняння прогнозів теоретичної моделі з реальними спостереженнями. Техніка, яка використовується для моделювання цих систем, відома як «бінарний синтез популяції».
«Цей метод моделює еволюцію десятків мільйонів подвійних зоряних систем, щоб оцінити статистичні властивості результуючої популяції джерел гравітаційних хвиль», — сказав Анастасіос Фрагкос, доцент кафедри астрономії на факультеті природничих наук UNIGE.
«Однак, щоб досягти цього в розумні часові рамки, дослідники досі покладалися на моделі, які використовують наближені методи для моделювання еволюції зірок та їх подвійних взаємодій», — сказав він. «Отже, надмірне спрощення фізики одиночних і подвійних зірок призводить до менш точних прогнозів».
POSYDON подолав ці обмеження. Розроблений як програмне забезпечення з відкритим вихідним кодом, він використовує попередньо обчислену велику бібліотеку детального моделювання одиночних і подвійних зірок для прогнозування еволюції ізольованих подвійних систем.
Для роботи кожного з цих детальних симуляцій може знадобитися до 100 годин центрального процесора (CPU) на суперкомп’ютері, що робить цю техніку моделювання незастосовною безпосередньо для синтезу двійкової популяції.
«Проте шляхом попереднього обчислення бібліотеки симуляцій, яка охоплює весь простір параметрів початкових умов, POSYDON може використовувати цей великий набір даних разом із методами машинного навчання, щоб передбачити повну еволюцію двійкових систем менш ніж за секунду», — сказав Джеффрі Ендрюс, асистент. професор кафедри фізики УФ.
«Ця швидкість порівнянна з кодами швидкого синтезу населення попереднього покоління, але з підвищеною точністю».
Представляємо нову модель
ПОСИДОН, великий проект розробки коду, означає POпуляція SYнтеза с Dдетальне моделювання бінарної еволюціїONс. Калогера та Тассос Фрагос, колишній доктор філософії. Студент групи Калогери є співголовним дослідником проекту, який розпочався в Northwestern у 2019 році за підтримки Фонду Гордона та Бетті Мур та Швейцарського національного наукового фонду.
Fragos, який зараз працює в Женевському університеті, є співавтором дослідження. Цього року до співпраці приєднався Університет Флориди.
Попередні моделі переоцінювали певні аспекти, наприклад розширення масивних зірок, що впливає на втрату їх маси та подвійну взаємодію. Ці елементи є ключовими інгредієнтами, які визначають властивості злиття чорних дір.
Завдяки повністю самоузгодженій детальній симуляції зіркової структури та бінарної взаємодії POSYDON досягає більш точних прогнозів об’єднаних властивостей подвійних чорних дір, таких як їх маси та обертання.
Зараз дослідницька група розробляє нову версію POSYDON, яка включатиме більшу бібліотеку детального моделювання зірок і подвійних систем, здатну моделювати подвійні системи в більш широкому діапазоні типів галактик.
джерело: Північно-західний університет
