Częstotliwość wykrywania fali grawitacyjnej

Być może słyszałeś w wiadomościach, że eksperyment LIGO wykrył ostatnio falę grawitacyjną.

Chociaż nie jestem astronomem, gazeta jest dobra do czytania i w większości dostępna. Wykrywanie fali grawitacyjnej to jedno, ale połączenie czarnych dziur jest dla mnie całkiem nowe. Na podstawie danych, które mogłem zebrać w gazecie i na tej stronie, źródło szacuje się na 1,3 miliarda lat, a ćwierkanie trwało zaledwie kilka milisekund.

Moje pytanie: jaka jest częstotliwość zdarzeń tego rzędu? Czy jest jakaś ocena gęstości takich zdarzeń we wszechświecie?

Harry (2009) zacytował kilka różnych źródeł, które, o ile wiemy, będą miały wskaźnik wykrywalnych zdarzeń

• 40 połączeń gwiazd neutronowych rocznie
• 30 10 M ⊙ połączeń czarnej dziury rocznie$_\odot$
• 10 połączeń gwiazd / czarnych dziur neutronowych rocznie

Jest to w promieniu około 200 Mpc. Nie można tego jednak użyć do ekstrapolacji całkowitej częstotliwości takich zdarzeń, z powodu błędu wykrywalności - im bardziej masywne są obiekty, tym łatwiej jest je wykryć. To samo dzieje się z egzoplanetami, ale z różnych powodów (np. Planety bardziej masywne lub bliższe swoim gwiazdom są łatwiejsze do wykrycia przez tranzyt lub metody prędkości radialnej).

Szybkość wykrytych fal grawitacyjnych o tej amplitudzie lub wykrycia fal grawitacyjnych w wyniku połączenia układów podwójnych czarnych dziur są w tej chwili nieznanymi wielkościami. Ich pomiar jest częściowo celem eksperymentu.

Wskaźniki wykrywalności można przeliczyć na współczynnik fuzji na jednostkę objętości w przestrzeni i można je porównać z modelami i prognozami. Współpraca aLIGO wydała swój pierwszy artykuł po wykryciu na ten właśnie temat - Abbott i in. (2016) .

Wysoka masa odkrytych czarnych dziur implikuje, że albo powstały one w środowisku ubogim w metal z powodu zawalenia się jądra masywnych gwiazd lub że powstały z połączenia mniejszych czarnych dziur w gęstych gromadach. Zakres prędkości przewidywanych wcześniej dla połączeń takich obiektów obejmował ogromny zakres z powodu ogromnej niepewności co do szybkości produkcji i mechanizmów formowania binarnego tych obiektów i wynosił od 0 do około 1000 rocznie na sześcienny Gigaparsec.

$z=0.09$

Jak można się domyślić, pytanie to jest bardzo interesujące dla zespołu LIGO. Równolegle z publikacją artykułu, o którym wspomniałeś, odkrywając odkrycie, zespół LIGO przedłożył szereg dokumentów towarzyszących z dalszymi szczegółami na temat odkrycia i prognoz. Jeden z nich dotyczy twojego pytania:

Częstotliwość łączenia binarnych połączeń czarnej dziury na podstawie zaawansowanych obserwacji LIGO otaczających GW150914

Ich metoda szacowania częstości zdarzeń uwzględnia zarówno GW150914, jak i inne znacznie słabsze (i mniej istotne statystycznie) zdarzenie. Rozważają szereg modeli, w jaki sposób szybkość zdarzeń może zależeć od właściwości systemu, i pytają, co oznaczają obserwacje GW150914 i drugiego zdarzenia kandydującego dla ogólnego wskaźnika. Wyniki różnią się w zależności od modelu, ale wybrali modele, które według nich mogą z grubsza uchwycić astrofizycznie prawdopodobne zachowanie. Jak podsumowano w streszczeniu:

$2-53 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$$6-400 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$$2-400 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$

Zwróć uwagę, że artykuł został przesłany, nieopublikowany, tj. Nadal w trakcie recenzji. Mówiąc jako ktoś z doświadczeniem w takich obliczeniach, niektóre aspekty tej metody wydają mi się podejrzane, więc myślę, że warto zajrzeć do artykułu za kilka tygodni, aby zobaczyć poprawki. Nie potrzeba wymyślnej metodologii, aby zobaczyć, że rząd wielkości (kilka do ~ 100 na sześcienny gigaparsek rocznie) znajduje się we właściwym miejscu. Ale w artykule przedstawiono metodologię, która może dokonywać bardziej szczegółowych i bardziej precyzyjnych szacunków i prognoz w miarę gromadzenia danych, dlatego ważne jest, aby upewnić się, że metodologia jest poprawna.