دومین ثبت امواج گرانشی در لایگو

دومین ثبت امواج گرانشی در لایگو

امواج گرانشی که برای اولین بار در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ توسط رصدخانه‌ی لایگو(۱) کشف شده بود، یک بار دیگر در ۲۶ دسامبر ۲۰۱۵ آشکار شد. دومین موج گرانشی که به اختصار و با در نظر گرفتن تاریخ کشف آن GW151226 نامیده می‌شود، توسط دو بخش مختلف رصدخانه‌ی لایگو یکی واقع در ایالت لوییزیانا (منطقه‌ی لیوینگستون(۲)) و دیگری در واشنگتن (منطقه‌ی هنفورد(۳)) آشکار شد. این موج گرانشی نیز مانند اولین کشف، حاصل برخورد و ادغام دو سیاهچاله‌ی پرجرم به وجود آمده است. جرم‌های اولیه‌ی این دو سیاهچاله (در چارچوب منبع)، ۱۴.۲ و ۷.۵ برابر جرم خورشیدند و جرم سیاهچاله‌ی نهایی ۲۰.۸ برابر جرم خورشید است. سیگنال اولیه که در ۲۶ دسامبر ۲۰۱۵ آشکار شد، پس از ۷۰ ثانیه توسط سیستم خودکار رصدخانه ثبت شد. پس از آن مطالعات و تحلیل‌های دقیق‌تر نشان دادند که مقدار سیگنال به نویز این داده برابر با ۱۳ و اهمیت آماری آن برابر با ۵سیگما است. فاصله‌ی منبع این موج گرانشی ۴۴۰ مگاپارسک برابر با انتقال‌به‌سرخ ۰.۰۹ تخمین زده شده است.

شکل ۱. دومین موج گرانشی آشکارشده توسط لایگو در سایت هنفورد (ستون چپ) و لیوینگستون (ستون راست). ردیف اول، داده‌های کرنش را نشان می‌دهد. منحنی سیاه بهترین تطبیق بر مدل شکل موج است. ردیف دوم مقدار انباشتی سیگنال به نویز را بر حسب زمان نشان می‌دهد. ردیف سوم سری زمانی نسبت سیگنال به نویز تولیدشده با انتقال زمان بهترین تطبیق شکل موج را نشان می‌دهد. ردیف چهارم: زمان-فرکانس داده‌های کرنش را نشان می‌دهد.

شکل ۱. دومین موج گرانشی آشکارشده توسط لایگو در سایت هنفورد (ستون چپ) و لیوینگستون (ستون راست). ردیف اول، داده‌های کرنش را نشان می‌دهد. منحنی سیاه بهترین تطبیق بر مدل شکل موج است. ردیف دوم مقدار انباشتی سیگنال به نویز را بر حسب زمان نشان می‌دهد. ردیف سوم سری زمانی نسبت سیگنال به نویز تولیدشده با انتقال زمان بهترین تطبیق شکل موج را نشان می‌دهد. ردیف چهارم: زمان-فرکانس داده‌های کرنش را نشان می‌دهد.

شایان ذکر است که سیگنال دیگری در ۱۲ اکتبر ۲۰۱۵ توسط لایگو رصد شد که به نظر می‌آید هم‌چنین از برخورد دو سیاهچاله تولید شده است، اما به دلیل اهمیت آماری کم‌تر، این سیگنال به عنوان دومین کشف امواج گرانشی در نظر گرفته نشده است. به جز این سه سیگنال (دو کشف و یک سیگنال قوی‌تر از نویز زمینه) در زمان فعالیت اخیر رصدخانه‌ی لایگو (معروف به لایگوی پیشرفته) یعنی از تاریخ ۱۲ سپتامبر ۲۰۱۵ تا ۱۹ ژانویه‌ی ۲۰۱۶، کاندید سیاهچاله‌ی دوتایی دیگری در محدوده‌ی جرمی ۴ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید، مشاهده نشده است. کشف امواج گرانشی و تخمین پارامترهای مربوط به آن نیازمند شناخت منابع تولیدکننده‌ی نویز در آشکارساز و هم‌چنین ساختار موج مربوط به ادغام سیاهچاله‌های دوتایی است. محققان لایگو برای شناخت شکل موج مربوطه، از تفکیک تکنیک‌های مختلف برای مدل‌سازی دینامیک دو جرم استفاده کرده‌اند، به خصوص نظریه‌ی پسانیوتونی، فرمالیسم یک جرم مؤثر، و نسبیت عددی.

GW151226 پس از آشکارشدن در سایت لوییزیانا، پس از ۱.۱ میلی‌ثانیه در سایت واشنگتن آشکار شد. مکان منبع این موج از مکانی در محدوده‌ی ۱۴۰۰ مربع درجه از آسمان می‌آید. دلیل این‌که تشخیص مکان دقیق منبع سیگنال دشوار است مربوط به اطلاعات محدودی است که توسط تنها دو آشکارساز حساس به دست می‌آید. در آینده با اضافه‌شدن رصدخانه‌ی ویرگو(۴)، کاگرا(۵)، و لایگوی هند امکان تشخیص دقیق‌تر مکان منبع امواج گرانشی به دست خواهد آمد. براساس مدل کنونی شکل موج، GW151226 از محدوده‌ی باند حساس لایگو در ۱ ثانیه عبور کرده و فرکانس آن در تقریبا ۵۵ دوره‌ از ۳۵ هرتز به ۴۵۰ هرتز رسیده است. شکل ۱ نشان می‌دهد که دامنه‌ی سیگنال از سطح نویز آشکارساز کم‌تر است که مقدار کرنش(۶) (نسبت تغییر طول به طول اولیه‌ی بازوی لایگو) برابر با ۳.۴ در ۲۲-۱۰ است. نمودار زمان بر حسب فرکانس نشان می‌دهد که سیگنال به راحتی قابل مشاهده نیست. سیگنال در لایگوی هنفورد واشنگتن قوی‌تر از لیوینگستون لوییزیانا بوده است. تنها بعد از اضافه‌کردن مقادیر سیگنال به نویز با روش تطبیق فیلتر، سیگنال در هر دو آشکارساز واضح می‌شود.

شکل ۲. نتایج جستجوی ادغام سیاهچاله‌ها. نمودار سمت چپ برحسب آمار آشکارسازی و سمت راست برحسب نسبت احتمال آشکارسازی است. هر دو نمودار تعداد رخدادهای کاندید را بر حسب آمار آشکارسازی توسط مربع‌های نارنجی نشان می‌دهد. تخمین نویز زمینه توسط دو روش انجام شده است: حذف تمام رخدادهای کاندید (خطوط بنفش) و درنظرگرفتن همه‌ی رخدادهای کاندید به جز GW150914 که اولین موج گرانشی کشف‌شده است (خطوط مشکی). GW151226 با اهمیت آماری بالایی در هر دو جستجو پیدا شده است.

شکل ۲. نتایج جستجوی ادغام سیاهچاله‌ها. نمودار سمت چپ برحسب آمار آشکارسازی و سمت راست برحسب نسبت احتمال آشکارسازی است. هر دو نمودار تعداد رخدادهای کاندید را بر حسب آمار آشکارسازی توسط مربع‌های نارنجی نشان می‌دهد. تخمین نویز زمینه توسط دو روش انجام شده است: حذف تمام رخدادهای کاندید (خطوط بنفش) و درنظرگرفتن همه‌ی رخدادهای کاندید به جز GW150914 که اولین موج گرانشی کشف‌شده است (خطوط مشکی). GW151226 با اهمیت آماری بالایی در هر دو جستجو پیدا شده است.

شکل ۲ مقادیر آماری آشکارسازی مربوط به GW151226 توسط دو جستجو (یکی در زمان واقعی ثبت سیگنال، و دیگر در ماه‌های بعدی با روش‌های دقیق‌تر) و توزیع‌های نویز زمینه‌ی مربوط به آن‌ها را نشان می‌دهد. تخمین‌های هر دو جستجو بر سیگنالی که از ادغام دو سیاهچاله انتظار می‌رود، منطبقند.

پارامتر دیگری که در مورد منبع این موج گرانشی می‌توان مطالعه کرد، اسپین سیاهچاله‌ها است. اسپین سیاهچاله‌ها به طور کلی حرکت نسبیتی سیستم دوتایی را تحت تاثیر قرار می‌دهد اما معمولا تنها اثر نامحسوسی بر شکل امواج گرانشی دارد. در نتیجه، تنها می‌توان اطلاعات محدودی از اسپین سیاهچاله‌ها به دست آورد. مطالعات اسپین این موج گرانشی توسط لایگو نشان می‌دهد که لااقل یکی از سیاهچاله‌ها اسپین غیر صفر دارد و این مقدار بیشتر از ۰.۲ تخمین زده می‌شود. محققان لایگو هم‌چنین شکل موج GW151226 را با مقادیر نسبیت عام مقایسه کرده‌اند و انطباق آن را تایید کرده‌اند.

علاوه بر آشکارسازی دومین موج گرانشی، نکته‌ی قابل توجه این است که جرم سیاهچاله‌های اندازه‌گیری‌شده با فراوانی فلزی اجداد ستاره‌ای و طیف وسیعی از جرم اجداد بر اساس شناخت کنونی ما از تحول ستاره‌های پرجرم،  منطبق است. نکته‌ی دیگر این است که توزیع اسپین سیاهچاله‌ها در سیستم‌های دوتایی با جرم ستاره‌ای مشخص نیست و اندازه‌گیری اسپین یکی از این سیاهچاله‌ها با مقدار بیشتر از ۰.۲ قدم مهمی در شناخت این توزیع است. اولین دوره‌ی مشاهدات لایگوی پیشرفته، شواهدی بر وجود جمعیتی از سیاهچاله‌های دوتایی با جرم‌های ستاره‌ای فراهم می‌آورد که مشارکت آن در ساخت پس‌زمینه‌ی کاتوره‌ای(۷) می‌تواند بیشتر از مقادیر مورد انتظار فعلی باشد. کشفیات اخیر لایگو زمینه‌ی جدیدی در نجوم امواج گرانشی گشوده است.

(۱) LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
(۲) Livingston, Louisiana
(۳) Hanford, Washington
(۴) Virgo
(۵) KAGRA
(۶) Strain
(۷) Stochastic

عنوان اصلی مقاله: GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence
نویسندگان: The LIGO Scientific Collaboration, The Virgo Collaboration
این مقاله در نشریه‌ی Physical Review Letters چاپ شده است.
لینک مقاله‌ی اصلی: http://arxiv.org/abs/1606.04855
گردآوری: آزاده کیوانی

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

آزاده کیوانی

پژوهشگر پَسادکترا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است که در زمینه‌ی اخترفیزیک ذره‌ای پژوهش می‌کند. در حال حاضر عضو تیم تحقیقاتی AMON و هم‌چنین عضو رصدخانه‌ی نوترینوی IceCube است. او در سال ۲۰۱۳ دکترای خود را در رشته‌ی اخترفیزیک از دانشگاه ایالتی لوییزیانا گرفته است و در طول تحصیلات تکمیلیش عضو رصدخانه Pierre Auger بوده است. پروژه‌ی دکترای او بررسی تأثیرات میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری بر روی انحراف پرتوهای کیهانی پرانرژی در راستای شناخت منشأ و نوع این ذرات بوده است.

بازتاب‌ها

  1. نجوم و فضا در سال ۲۰۱۶ | اسطرلاب (StarYab) ۱۳ دی, ۱۳۹۵، ۰۸:۰۷

    […] در ماه فوریه‌، دانشمندان برای نخستین بار توانستند اختلالات فضا-زمان ناشی از امواج گرانشی را با آشکارساز لایگو آشکار‌سازی کنند. این آشکارسازی تاییدی بود بر یکی از مهم‌ترین پیش‌بینی‌های نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵. کشف و ثبت امواج گرانشی سرآغاز فصل جدیدی در نجوم مدرن خواهد بود، چرا که چنین آشکارسازهایی می‌توانند تصویر واضح‌تری از دوران اولیه‌ی کیهان که آن را نمی‌توانیم با امواج الکترومغناطیسی رصد کنیم، برایمان به تصویر بکشند. برای جزئیات این کشف (و همچنین اکتشافات بعدی امواج گرانشی در سال گذشته) به این مقاله‌های اسطرلاب رجوع کنید: مقاله‌ی اول، مقاله‌ی دوم. […]

دیدگاه‌ها

  1. سیاوش
    سیاوش ۳۱ خرداد, ۱۳۹۵، ۰۸:۳۱

    بسیار عالی
    ممنون

    پاسخ به این دیدگاه
  2. علی هادیان
    علی هادیان ۳۱ خرداد, ۱۳۹۵، ۱۹:۵۲
  3. nafiseh
    nafiseh ۱ تیر, ۱۳۹۵، ۱۶:۰۹

    بسیار عالی

    پاسخ به این دیدگاه
  4. حسنی
    حسنی ۵ تیر, ۱۳۹۵، ۰۴:۳۸

    ممنون، عالی بود

    پاسخ به این دیدگاه
  5. Ronak
    Ronak ۶ تیر, ۱۳۹۵، ۰۹:۳۴

    سلام خسته نباشید ببخشید سوالی هست که ذهنمو مشغول کرده ممنون میشم با زبان ساده واسم توضیح بدهید
    چرا زمین به دور خودش میچرخد ?چگونه و ابن نیرو برای چرخش به دور خودش رو از کجا میاره ایا این نیرو تمام میشود و اینکه لایه های زمین تاثیری در حرکت زمین دارند یه جا شنیدم که سرعت زمین تند و کند میشه

    پاسخ به این دیدگاه

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*