juillet 7, 2022

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Des trous noirs de toutes formes et tailles dans le plus grand catalogue d’événements d’ondes gravitationnelles jamais compilé

Impression artistique d’une étoile à neutrons et d’un trou noir sur le point de fusionner. Crédit : Carl Knox, Osgrave/Swinburne

Le plus grand catalogue d’événements d’ondes gravitationnelles jamais compilé par une collaboration internationale impliquant des chercheurs de Penn State a été publié. Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l’espace-temps produites comme répliques d’événements astronomiques massifs, tels que la collision de deux trous noirs. À l’aide d’un réseau mondial de détecteurs, l’équipe de recherche a identifié 35 événements d’ondes gravitationnelles, portant le nombre total d’événements observés à 90 depuis le début des efforts de détection en 2015.

De nouveaux événements d’ondes gravitationnelles ont été observés entre novembre 2019 et mars 2020, à l’aide de trois détecteurs internationaux : l’Observatoire avancé de l’interféromètre laser à ondes gravitationnelles (lego) en Louisiane et dans l’État de Washington aux États-Unis et le détecteur avancé Virgo en Italie. Les données de ces trois réactifs ont été soigneusement analysées par une équipe de scientifiques de LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration et KAGRA Collaboration. Le catalogue des nouveaux événements de la seconde moitié du troisième cycle d’observation de LIGO est décrit dans un nouvel article.

« Dans la troisième série d’observations pour LIGO et Virgo, nous avons entrepris de découvrir les types les plus insaisissables d’événements d’ondes gravitationnelles », a déclaré Debnandini Mukherjee, chercheur postdoctoral à Penn State et membre de la collaboration LIGO. Cela comprenait des trous noirs de masse lourde, des binaires à rapport de masse plus extrêmes et étoile à neutronsTrou noir Les alliances sont révélées avec une plus grande confiance. Nous sommes à une époque passionnante où de telles observations commencent à remettre en question l’astrophysique traditionnellement connue et commencent à contribuer à une meilleure compréhension des formations de tels objets.

nouvelles découvertes

Sur les 35 événements découverts, 32 étaient très probablement des fusions de trous noirs – deux trous noirs en orbite l’un autour de l’autre et se rencontrant finalement, un événement qui émet ondes gravitationnelles.

Les trous noirs impliqués dans ces fusions ont une gamme de tailles, dont la plus grande a une masse environ 90 fois la masse de notre soleil. Bon nombre des trous noirs résultants de ces fusions dépassent la masse de notre soleil d’une centaine de fois et sont classés comme trous noirs de masse moyenne. Il s’agit de la première observation de ce type de trou noir, pour laquelle les astrophysiciens ont longtemps théorisé.

Deux des trente-cinq événements fusionnaient probablement des étoiles à neutrons avec des trous noirs – un type d’événement très rare qui était un événement découvert pour la première fois Lors de la dernière tournée d’observation LIGO et Virgo. Une fusion récemment découverte semble montrer un trou noir supermassif d’environ 33 fois la masse de notre soleil entrant en collision avec une étoile à neutrons de masse extrêmement faible 1,17 fois la masse de notre soleil. C’est l’une des étoiles à neutrons les moins massives jamais découvertes, en utilisant des ondes gravitationnelles ou des observations électromagnétiques.

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Les masses de trous noirs et d’étoiles à neutrons sont des indices clés sur la façon dont les étoiles massives vivent et meurent finalement dans les explosions de supernova.

a déclaré Becca Ewing, diplômée de Penn State et membre du groupe LIGO de Penn State. « Avec chaque nouvelle voie d’observation, nous trouvons des signaux avec des propriétés nouvelles et différentes, élargissant notre compréhension de ce à quoi ces systèmes pourraient ressembler et se comporter. De cette façon, nous pouvons commencer à améliorer de plus en plus notre compréhension de l’univers à chaque nouvelle observation. . »

Les fans du cimetière des étoiles

Au cours de la seconde moitié du troisième cycle d’observation de LIGO, une équipe internationale de chercheurs comprenant des scientifiques de Penn State a observé 35 nouveaux événements cosmiques qui ont produit des ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace-temps. Ces événements incluent des trous noirs et même des trous noirs entrant en collision avec des étoiles à neutrons. Chaque ligne de ce graphique correspond à une fusion binaire compressée, y compris les deux objets de fusion et le reste de la fusion finale. Les trous noirs sont représentés en bleu, les étoiles à neutrons en orange et les objets compacts de nature incertaine en gris. Crédit : Aaron M. Geller, Northwestern University et Frank Ilavsky, LEGO Virgo

L’événement d’onde gravitationnelle final est venu de la fusion d’un trou noir avec une masse 24 fois la masse de notre soleil avec un trou noir très léger ou une étoile à neutrons très lourde environ 2,8 fois la masse de notre soleil. L’équipe de recherche a conclu qu’il s’agissait très probablement d’un trou noir, mais cela ne pouvait pas être complètement certain. Un événement mystérieux similaire a été découvert par LIGO et Virgo en août 2019. La masse du corps le plus léger est déroutante, car les scientifiques s’attendent à ce qu’il soit la plus grande étoile à neutrons avant de s’effondrer pour former un trou noir environ 2,5 fois la masse de notre corps. le soleil. Cependant, aucune observation électromagnétique n’a détecté de trous noirs avec des masses inférieures à environ 5 masses solaires. Cela a incité les scientifiques à théoriser que les étoiles ne s’effondrent pas pour former des trous noirs à cette échelle. De nouvelles observations d’ondes gravitationnelles suggèrent que ces théories pourraient devoir être révisées.

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progrès énorme

Depuis la première détection d’une onde gravitationnelle en 2015, le nombre de découvertes a augmenté à un rythme exponentiel. En quelques années, les scientifiques des ondes gravitationnelles sont passés de l’observation de ces vibrations dans le tissu de l’univers pour la première fois à l’observation de nombreux événements chaque mois, voire de plusieurs événements le même jour. Au cours du troisième cycle de surveillance, les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont atteint leurs meilleures performances grâce à un programme de mises à niveau et de maintenance continues pour améliorer les performances des appareils phares.

Avec l’augmentation du taux de détection des ondes gravitationnelles, les scientifiques ont également amélioré leurs techniques d’analyse pour assurer l’altitude santé des résultats. Un catalogue croissant d’observations permettra aux astrophysiciens d’étudier les propriétés des trous noirs et des étoiles à neutrons avec une précision sans précédent.

Dans une autre avancée importante sur cette dernière voie, quelques minutes après les détections initiales d’ondes gravitationnelles, les astronomes ont lancé un appel aux observatoires et autres détecteurs du monde entier. Ce réseau de détecteurs de neutrinos et d’observatoires électromagnétiques s’est concentré sur la région du ciel d’où proviennent les ondes, pour tenter de localiser la source de l’événement. Les événements cosmiques qui produisent des ondes gravitationnelles peuvent également produire des neutrinos et des émissions électromagnétiques qui, s’ils sont détectés, peuvent fournir des informations supplémentaires sur l’événement cosmique. Cependant, aucun analogue des ondes gravitationnelles récemment annoncées n’a été rapporté.

« Une communication rapide avec d’autres observatoires est essentielle pour la découverte par les pairs et la contribution à l’astronomie multi-messages », a déclaré Bryce Cousins, assistant de recherche à Penn State et membre de la collaboration LIGO. « En étudiant un événement cosmique via plusieurs signaux, nous pouvons non seulement en apprendre davantage sur les propriétés spécifiques des trous noirs et des étoiles à neutrons, mais aussi étudier des domaines plus larges de l’astrophysique, tels que l’évolution stellaire et l’expansion de l’univers. Les systèmes d’alerte et de surveillance les réseaux établis au cours de ce processus d’observation seront essentiels pour découvrir les pairs dont nous avons besoin pour mieux comprendre ces sujets dans les observations futures. »

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Lors de la prochaine tournée d’observation complète, qui devrait commencer l’été prochain, l’observatoire KAGRA au Japon se joindra également à la recherche. Au fond d’une montagne, KAGRA a terminé son premier cycle d’observation réussi en 2020, mais n’a pas encore rejoint LIGO et Virgo pour mener des observations conjointes. Avec plus de détecteurs, l’emplacement des événements potentiels peut être localisé avec plus de précision.

« Rejoindre KAGRA au réseau de détecteurs peut améliorer la zone de localisation du ciel des sources de filtre à ondes gravitationnelles d’environ deux fois, ce qui peut ensuite être utile pour les découvertes par les pairs, car la connaissance de l’emplacement exact des sources dans le ciel est essentielle pour les télescopes,  » a déclaré Shio Sakon, étudiant en études supérieures à Penn State et membre de la collaboration LIGO.  » Avec les développements du pipeline de détection, les mises à niveau de LIGO et VIRGO et l’implication de KAGRA dans le réseau de détecteurs, nous prévoyons de détecter et d’analyser les événements candidats d’ondes gravitationnelles plus fréquemment que jamais auparavant, et envoyer des alertes publiques de haute qualité avec une faible latence. Pour être essentiel à l’avancement de l’astronomie multi-messagers. « 

Référence : « GWTC-3 : Alliances binaires combinées observées par LIGO et Virgo pendant la deuxième partie de la troisième exécution du moniteur » par LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration et KAGRA Collaboration, 5 novembre 2021, Relativité générale et cosmologie quantique.
arXiv : 2111.03606

À propos des observatoires d’ondes gravitationnelles :

Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par le laboratoire LIGO de la National Science Foundation, une importante installation financée par la NSF. LIGO est exploité par Caltech et avec, qui a créé LIGO et dirigé le projet de détecteur avancé LIGO. Le soutien financier du projet LIGO avancé provenait principalement de la NSF avec l’Allemagne (Max Planck Society), le Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et l’Australie (Australian Research Council – OzGrav) et ils ont pris des engagements et des contributions importants au projet. Près de 1 400 scientifiques du monde entier participent aux efforts visant à analyser les données et à développer des conceptions de détecteurs dans le cadre de la collaboration scientifique LIGO, qui comprend une collaboration GEO.

La collaboration Virgo se compose actuellement de près de 650 membres de 119 institutions dans 14 pays différents, dont la Belgique, la France, l’Allemagne, la Hongrie, l’Italie, les Pays-Bas, la Pologne et l’Espagne. L’Observatoire gravitationnel européen (EGO) héberge le détecteur Virgo près de Pise en Italie et est financé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Nikhef aux Pays-Bas.

Le détecteur KAGRA est situé à Kamioka, Gifu, Japon. L’institut hôte est l’Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR) de l’Université de Tokyo, et le projet est co-organisé par l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) et la High Energy Acceleration Research Organization (KEK). KAGRA a achevé sa construction en 2019 et a ensuite rejoint le réseau international d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo. La prise de données réelle a commencé en février 2020 lors de la dernière étape de la course appelée « O3b ». La coopération KAGRA se compose de plus de 470 membres de 11 pays/régions.