Astronomai juodąsias skyles skirsto pagal masę. Žvaigždinės yra tos, kurių masės palyginamos su žvaigždžių – nuo maždaug penkių iki maždaug 50, gal 100, Saulės masių. Jos ir atsiranda mirštant masyvioms žvaigždėms. Supermasyvios randamos beveik visų galaktikų centruose, jų masės prasideda nuo milijono, gal kiek mažiau, Saulės masių, o didžiausios viršija 40 milijardų. Jų kilmė iki galo neišaiškinta.
Asociatyvi „Pixabay“ nuotr.
Tarp šių intervalų driekiasi tarpinės masės juodųjų skylių zona, o jų nei kilmė, nei egzistavimas nėra iki galo aiškūs. Nors randama įvairių požymių, kad tarpinės – tūkstančių ar dešimčių tūkstančių Saulės masių – juodosios skylės gali egzistuoti kai kuriuose kamuoliniuose žvaigždžių spiečiuose, o gravitacinių bangų signalai lyg ir atskleidžia 100-200 Saulės masių juodųjų skylių egzistavimą, kol kas šie objektai išlieka labai mįslingi.
Keli nauji tyrimai stengiasi paslaptį praskleisti. Pirmajame iš naujo analizuojami dalis LIGO, „Virgo“ ir „Kagra“ detektorių surinktų duomenų. Visi trys detektoriai, dažnai įvardijami santrumpa LVK, gravitacinių bangų ieško panašiu principu – fiksuodami ypatingai menkus ilgų vamzdžių ilgio pokyčius, pro šalį judant gravitacinei bangai. Duomenys apdorojami automatiškai, tačiau naujojo tyrimo autoriai pritaikė geresnius algoritmus, kuriuose įtraukiama skirtingų gravitacinių bangų harmonikų (overtonų) įtaka signalui.
Analizei pasirinkta 11 signalų su didžiausiomis automatiškai identifikuotomis masėmis. Tarp jų penkiais atvejais nustatyta juodosios skylės masė po susijungimo yra 110-350 Saulės masių ir tikrai patenka į tarpinės masės juodųjų skylių intervalą. Be to, dviem atvejais juodosios skylės prieš susijungimą buvo masyvesnės nei 120 Saulės masių, o vienu atveju pateko į 60-120 Saulės masių intervalą. Šis intervalas vadinamas „porinio nestabilumo masės tarpu“ – manoma, kad žvaigždės, kurios galėtų mirdamos suformuoti tokios masės juodąsias skyles, iš tikro to nepadaro, nes sprogdamos visiškai išnyksta. Tai greičiausiai reiškia, kad šios juodosios skylės susiformavo ankstesnio susiliejimo metu.
Kituose dviejuose tyrimuose analizuojama gravitacinių bangų signalo evoliucija per keletą metų iki susiliejimo. LVK gali fiksuoti tik paskutines kelias poros gyvavimo sekundes – ankstesni signalai yra pernelyg žemo dažnio ir pernelyg silpni. Tačiau po maždaug dešimties metų darbą turėtų pradėti kosminis gravitacinių bangų detektorius LISA, kuris bus jautrus tūkstančius kartų žemesniam bangų dažniui.
LISA aptiktą juodųjų skylių porą vėliau – po metų ar kelių – bus galima aptikti LVK. Ryšys tarp šių dviejų signalų – dažnio kitimas, trukmė tarp aptikimų ir panašios savybės – leis ne tik patikrinti teorinius modelius apie juodųjų skylių susiliejimą, bet ir suteiks gausybę žinių apie jų kosminę aplinką.
Šiuo metu nežinome, ar juodųjų skylių poros dažniau jungiasi žvaigždžių spiečiuose, ar prie pat galaktikų centrų, ar neišskirtinėse galaktikų vietose, tačiau nuo aplinkos gali priklausyti susijungimo trukmė, kurią ir atskleis jungtiniai stebėjimai. Dar viena detalė, kurią jie gali atskleisti – po susidūrimo įvykstančio juodosios skylės „paspyrimo“ savybės.
Paspyrimas yra bendrosios reliatyvumo teorijos prognozė, kad besijungdamos juodosios skylės gravitacines bangas spinduliuoja ne sferiškai simetriškai, todėl susijungimo produktas – masyvesnė juodoji skylė – gali būti išsviestas į šalį net ir didesniu nei 1000 km/s greičiu. Tyrėjai apskaičiavo, kad apjungus LVK, LISA ir dar vieną detektorių bus galima identifikuoti labiausiai tikėtiną paspyrimo kryptį ir netgi greitį. Tai leis vykdyti tolesnius stebėjimus, ieškant judančio susijungimo produkto pėdsakų aplinkinėje erdvėje.
Tiek LVK, tiek LISA stebėjimai reikalauja beprecedenčio tikslumo – kartais jis palyginamas su atomo skersmens eilės pokyčiais atstume tarp Saulės ir Žemės. Nenuostabu, kad triukšmas – įvairiausi nepageidaujami signalai – gali labai lengvai užgožti mus dominantį signalą. Taigi tyrėjai sukūrė mašininio mokymo algoritmą, kuris gali atskirti signalą nuo triukšmo, įskaitant tokį triukšmą, kuris atrodo panašiai į pavienius signalo elementus.
Patikrinę algoritmą su dviem tikrais signalais jie parodė, kad įvairūs tikėtini trukdžiai ir triukšmo šaltiniai yra įveikiami. Tai bus labai svarbu analizuojant ketvirtojo LIGO (ir antrojo LVK tinklo) stebėjimų etapo duomenis; šie stebėjimai pradėti 2023 metais, šiuo metu sustabdyti, bet vėl bus pradėti po kelių dienų ir tęsis iki spalio ar lapkričio. Tada detektoriai vėl bus sustabdyti atnaujinimams, o penktąjį stebėjimų etapą numatoma pradėti 2027 metais.
Tyrimo rezultatai publikuojami „The Astrophysical Journal Letters“ (LIGO-Virgo juodosios skylės) ir „The Astrophysical Journal“ (LISA perspektyvos, kinematikos signalų prognozė ir signalo išskyrimas triukšme).
