Гравитационное линзирование: ключ к локализации источников гравитационных волн

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

16 мая 2024, 11:30

Гравитационные волны, эта рябь пространства-времени, порождаемая столкновением массивных объектов, таких как черные дыры, открывают перед нами захватывающий новый мир. Но локализовать источник этих волн с высокой точностью — задача не из легких. В этой статье мы расскажем о новом подходе, который позволит нам не только «услышать» гравитационные волны, но и «увидеть» их источник, используя явление гравитационного линзирования.

Гравитационные волны черных дыр, вольная интерпретация

Автор: Designer

Представьте себе: две черные дыры, расположенные в далекой галактике, сливаются в яростном космическом танце. Гравитационные волны, рожденные этим событием, отправляются в путешествие по Вселенной, неся в себе информацию о своих родителях. Но на их пути может встретиться массивная галактика, действующая как гигантская линза. Гравитация этой галактики искажает путь волн, создавая множественные изображения источника.

Космический детектив: на стыке гравитационных волн и электромагнитных наблюдений

Этот эффект линзирования, открывая уникальные возможности, одновременно создает сложности. С одной стороны, множественные изображения, порождаемые линзой, усиливают сигнал гравитационных волн, делая его более заметным для детекторов, таких как LIGO и Virgo. С другой стороны, точность локализации источника снижается, поскольку сигнал приходит к нам с разных направлений.

Распределения параметров исходных галактик в смоделированной выборке систем линз, в которых может находиться четырехлинзовый ГВ. Цвета, с добавлением красно-коричневого распределения, которое представляет собой распределение внутренней популяции галактик-хозяев [каталог Jaguar (Williams et al. 2018)]. Показаны красное смещение источника (zs), звездная масса галактики (log10(M*/M⊙)), эллиптичность галактики (1 — qs), эффективный радиус Rs и VIS-магнитуда (ms). Бинообразная структура для эллиптичности является артефактом генерации каталога Jaguar (Williams et al. 2018)

Автор: Ewoud Wempe, Léon V E Koopmans, A Renske A C Wierda, Otto A Hannuksela, Chris Van Den Broeck, On the detection and precise localization of merging black holes events through strong gravitational lensing, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 530, Issue 3, May 2024, Pages 3368-3390, https://doi.org/10.1093/mnras/stae1023 CC-BY 4.0 Источник: academic.oup.com

Но не все так безнадежно. Мы можем использовать информацию о линзировании, полученную из электромагнитных наблюдений, чтобы точнее определить местоположение источника гравитационных волн. Для этого необходима синхронизация данных с детекторов гравитационных волн и телескопов, способных обнаруживать линзированные галактики.

Euclid: космический следопыт в поисках линзированных галактик

Одним из таких инструментов является космический телескоп Euclid, который в ближайшие годы отправится в космос для исследования темной материи и темной энергии. Euclid сможет обнаружить тысячи линзированных галактик, создавая каталог потенциальных «усилителей» гравитационных волн.

Исследователи разработали математическую модель, позволяющую сопоставить данные о линзировании, полученные с Euclid, с информацией о гравитационных волнах, зарегистрированных LIGO и Virgo. Этот метод основан на байесовском подходе, который позволяет сравнивать вероятности различных гипотез о местоположении источника волн.

Распределение временных задержек (здесь мы берем время между первым и последним событием) для четырех обнаруженных ГВ с M* в качестве скорости ГВ. Зеленая линия показывает долю линз, которые также наблюдаются в ЭМ в каждом бине.

Виртуальная Вселенная: тестирование новой методики

Для проверки эффективности этой методики, ученые создали виртуальную Вселенную, населенную черными дырами и галактиками-линзами. Они смоделировали столкновения черных дыр и распространение гравитационных волн, учитывая эффект линзирования.

Примеры смоделированных линзовых систем. Системы в верхнем ряду были сгенерированы так, чтобы иметь ≥2 изображения, системы в среднем ряду — ≥4 изображения, а системы в нижнем ряду — это системы, сгенерированные как носители линзированных ГВ. Внутри каждой исходной галактики помещено положение источника BBH. Положение источника в плоскости источника обозначено маленьким зеленым плюсом, положения линзированных источников обозначены красными звездами, размеры которых указывают на увеличение. Также показаны критические кривые (красные) и каустики (фиолетовые). Для каждой системы указаны красное смещение линзы, красное смещение источника и максимальное время задержки.

Результаты моделирования показали, что для значительной части линзированных событий гравитационных волн, Euclid сможет обнаружить соответствующую линзирующую галактику. Сопоставление данных с Euclid и LIGO/Virgo позволит с высокой вероятностью определить истинную галактику-хозяина источника волн, отсеивая ложные кандидаты.

Упрощенный пример процесса идентификации и совместного моделирования. Линзовидное GW-событие было сгенерировано в соответствии с процедурой, описанной в тексте, с получением измеренных в макетах временных задержек, отношений потоков и расстояния светимости. В этом примере предполагается изотермический наклон плотности (γl = 2) и отсутствие внешнего сдвига. Астериоры предполагаемых параметров модели показаны коричневым цветом. На верхней правой панели показаны апостериоры расстояния светимости. Кроме того, были получены имитационное изображение и фотометрическое измерение красного смещения этой галактики, и апостериоры объединения этих ЭМ-данных с данными GW показаны зеленым цветом. Для несвязанной линзы также были сгенерированы изображение и фотометрическое измерение красного смещения, которые были объединены с измеренным GW; астерионы показаны оранжевым цветом. На верхней панели показано измерение расстояния светимости, а в нижнем углу — апостериорные значения эйнштейновского радиуса θE, расстояния временной задержки DΔt и отношения осей q. На маленькой панели справа показан вывод положения источника BBH в субдуговую секунду. Обратите внимание, что истинная система лучше совпадает с данными GW, чем неправильная, что также видно по коэффициенту Байеса.

Локализация с точностью до миллиарксекунды: взгляд в сердце галактики

Более того, комбинирование данных с Euclid и LIGO/Virgo позволит локализовать источник гравитационных волн с точностью до миллиарксекунды, что в сотни раз точнее, чем текущие возможности. Это даст нам возможность детально изучить среду, в которой рождаются и сливаются черные дыры, и раскрыть тайны их эволюции.

Субарксекундные локализации ГВ с линзированием. Показано распределение света в плоскости источника, наложены выводы о положении BBH без данных о GW (черный цвет) и улучшение при совместном моделировании данных EM + GW (зелено-голубой цвет). Красные контуры для координат центроида галактики дают представление о неопределенности в моделировании EM. Истинное положение BBH (белый x) восстановлено. Кроме того, построены каустики (серый), а на вставных графиках показаны изображения наблюдаемых линз.

Поиск продолжается: новые телескопы и детекторы

Несмотря на многообещающие результаты, Euclid не сможет охватить всю небесную сферу. Для успешного применения этого метода необходимы дополнительные наблюдения с наземных и космических телескопов, обладающих высокой чувствительностью и разрешением.

В будущем, гравитационные обсерватории нового поколения, такие как Einstein Telescope и Cosmic Explorer, значительно увеличат количество регистрируемых событий линзирования. Это откроет новые горизонты для исследования гравитационных волн и их источников, позволяя нам заглянуть в самые отдаленные уголки Вселенной.

Космический симбиоз: гравитационные волны и электромагнитные наблюдения в тандеме

Таким образом, гравитационное линзирование, открывая перед нами новый мир гравитационных волн, также ставит перед нами новые вызовы. Совместное использование данных с детекторов гравитационных волн и телескопов, таких как Euclid, позволит нам раскрыть секреты черных дыр и пролить свет на самые фундаментальные вопросы космологии.

В статье говорится о том, что гравитационное линзирование может усиливать сигнал гравитационных волн. Но ведь гравитационные волны — это искажения самого пространства-времени. Как линзирование может усиливать искажение самого пространства-времени?

Важно помнить, что линзирование не усиливает саму «рябь» пространства-времени. Оно меняет траектории гравитационных волн, фокусируя их подобно линзе.

Представьте себе поток воды. Если поместить на его пути преграду с отверстием, то вода будет проходить только через него, концентрируясь в более узкий и сильный поток. Линзирование работает аналогично: оно концентрирует энергию гравитационных волн в определенных направлениях, делая сигнал более интенсивным для детекторов.

В статье упоминается, что Euclid сможет обнаруживать тысячи линзированных галактик. Но как отличить линзированную галактику от обычной? Ведь их форма может быть очень похожей.

Распознать линзированные галактики — непростая задача. Астрономы используют ряд признаков, позволяющих отличить их от обычных галактик:

Дуги и кольца: Линзированные изображения галактик часто имеют форму дуг или колец, поскольку свет от них искажается гравитационным полем линзы.

Множественные изображения: В некоторых случаях линзирование создает несколько изображений одной и той же галактики, расположенных вокруг линзирующего объекта.

Спектральный анализ: Сравнивая спектры различных изображений одной и той же линзированной галактики, можно убедиться, что они идентичны, подтверждая эффект линзирования.

Euclid будет оснащен высокочувствительными камерами и спектрографами, позволяющими анализировать форму и спектры галактик с высокой точностью, что значительно повысит эффективность поиска линзированных объектов.

В статье утверждается, что локализация источника гравитационных волн с помощью линзирования позволит изучить среду, в которой рождаются и сливаются черные дыры. Но разве сам факт столкновения черных дыр не уничтожает эту среду?

Действительно, столкновение черных дыр — это событие колоссальной энергии, которое может существенно повлиять на окружающую среду. Однако, линзирование позволяет нам увидеть источник гравитационных волн таким, каким он был до столкновения, так как свет от него путешествовал до нас миллионы или миллиарды лет.

Информация, полученная благодаря линзированию, даст нам возможность исследовать галактику-хозяина, звездную среду, в которой сформировались черные дыры, и процессы, приведшие к их слиянию, до того, как они столкнулись. Это позволит получить ценные данные о формировании и эволюции черных дыр.