Gravitationsvågsforskningens förväntningar har uppfyllts:upptäckter av gravitationsvågor är nu en del av deras dagliga arbete som de har identifierat i den tidigare observationskörningen, O3, nya gravitationsvågkandidater ungefär en gång i veckan. Men nu, forskarna har publicerat en anmärkningsvärd signal som inte liknar någon av dem som setts tidigare:GW190412 är den första observationen av en binär svart håls sammanslagning där de två svarta hålen har distinkt olika massor av cirka 8 och 30 gånger vår sols massa. Detta har inte bara möjliggjort mer exakta mätningar av systemets astrofysiska egenskaper, men det har också gjort det möjligt för LIGO/Jungfru-forskarna att verifiera en hittills oprövad förutsägelse av Einsteins allmänna relativitetsteori.

"För allra första gången har vi "hört" i GW190412 det omisskännliga gravitationsvågsbrummandet av en högre överton, liknar övertoner av musikinstrument, " förklarar Frank Ohme, ledare för Independent Max Planck Research Group "Binary Merger Observations and Numerical Relativity" vid Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) i Hannover. "I system med ojämna massor som GW190412 - vår första observation av denna typ - är dessa övertoner i gravitationsvågssignalen mycket starkare än i våra vanliga observationer. Det är därför vi inte kunde höra dem tidigare, men i GW190412, vi kan äntligen." Denna observation bekräftar återigen Einsteins teori om allmänna relativitetsteori, som förutsäger existensen av dessa högre övertoner, dvs gravitationsvågor vid två eller tre gånger den fundamentala frekvens som hittills observerats.

"De svarta hålen i hjärtat av GW190412 har 8 och 30 gånger massan av vår sol, respektive. Detta är det första binära svarthålssystemet vi har observerat för vilket skillnaden mellan massorna av de två svarta hålen är så stor!" säger Roberto Cotesta, en Ph.D. student i avdelningen "Astrophysical and Cosmological Relativity" vid AEI i Potsdam. "Denna stora massaskillnad gör att vi mer exakt kan mäta flera egenskaper hos systemet:dess avstånd till oss, vinkeln vi tittar på det, och hur snabbt det tunga svarta hålet snurrar runt sin axel."

En signal som ingen tidigare

GW190412 observerades av både LIGO-detektorer och Virgo-detektorn den 12 april 2019, tidigt under detektorernas tredje observationskörning O3. Analyser visar att sammanslagningen skedde på ett avstånd av 1,9 till 2,9 miljarder ljusår från jorden. Det nya systemet med ojämlik massa är en unik upptäckt eftersom alla binärer som tidigare observerats av LIGO- och Jungfrudetektorerna bestod av två ungefär likadana massor.

Ojämna massor trycker sig på den observerade gravitationsvågssignalen, vilket i sin tur gör det möjligt för forskare att mer exakt mäta vissa astrofysiska egenskaper hos systemet. Närvaron av högre övertoner gör det möjligt att bryta en tvetydighet mellan avståndet till systemet och vinkeln vi tittar på dess omloppsplan; därför kan dessa egenskaper mätas med högre precision än i system med lika massa utan högre övertoner.

"Under O1 och O2, vi har observerat toppen av isberget av den binära populationen som består av svarta hål med stjärnmassa, " säger Alessandra Buonanno, chef för divisionen "Astrophysical and Cosmological Relativity" vid AEI i Potsdam och College Park professor vid University of Maryland. "Tack vare den förbättrade känsligheten, GW190412 har börjat avslöja oss en mer mångsidig, nedsänkt befolkning, kännetecknad av massasymmetri så stor som 4 och svarta hål som snurrar med cirka 40 % av det möjliga maximala värdet som tillåts av allmän relativitetsteori, " tillägger hon.

AEI-forskare bidrog till att upptäcka och analysera GW190412. De har tillhandahållit exakta modeller av gravitationsvågorna från sammansmältande svarta hål som inkluderade, för första gången, både precessionen av de svarta hålens snurr och multipolmoment bortom den dominerande kvadrupolen. De särdrag som trycktes i vågformen var avgörande för att extrahera unik information om källans egenskaper och utföra tester av allmän relativitet. De högpresterande datorklustren "Minerva" och "Hypatia" vid AEI Potsdam och "Holodeck" vid AEI Hannover bidrog avsevärt till analysen av signalen.

Testar Einsteins teori

LIGO/Jungfruforskare använde också GW190412 för att leta efter avvikelser hos signalerna från vad Einsteins allmänna relativitetsteori förutspår. Även om signalen har egenskaper till skillnad från alla andra som hittats hittills, forskarna kunde inte finna någon signifikant avvikelse från de allmänrelativistiska förutsägelserna.

Ett förbättrat internationellt nätverk av detektorer som använder pressat ljus

Denna upptäckt är den andra som rapporterats från den tredje observationskörningen (O3) av det internationella gravitationsvågsdetektornätverket. Forskare vid de tre stora detektorerna har gjort flera tekniska uppgraderingar av instrumenten.

"Under O3, pressat ljus användes för att öka känsligheten hos LIGO och Jungfrun. Denna teknik för att noggrant ställa in de kvantmekaniska egenskaperna hos laserljuset var banbrytande vid den tysk-brittiska detektorn GEO600, " förklarar Karsten Danzmann, direktör vid AEI Hannover och chef för Institutet för gravitationsfysik vid Leibniz University Hannover. "AEI leder de världsomspännande ansträngningarna för att maximera graden av klämning, vilket redan har förbättrat känsligheten hos GEO600-detektorn med en faktor två. Våra framsteg inom denna teknik kommer att gynna alla framtida gravitationsvågsdetektorer."

Två klara, 54 på att-göra-listan

Detektornätverket har utfärdat varningar för 56 möjliga gravitationsvågshändelser (kandidater) i O3 (1 april, 2019 till 27 mars, 2020 med ett avbrott för uppgraderingar och driftsättning i oktober 2019). Av dessa 56, en annan bekräftad signal, GW190425, har redan publicerats. Forskare från LIGO och Jungfrun undersöker alla återstående 54 kandidater och kommer att publicera alla de för vilka detaljerade uppföljningsanalyser bekräftar deras astrofysiska ursprung.

Observationen av GW190412 betyder att liknande system förmodligen inte är så sällsynta som förutspått av vissa modeller. Därför, med ytterligare gravitationsvågobservationer och växande händelsekataloger i framtiden, fler sådana signaler är att vänta. Var och en av dem kan hjälpa astronomer att bättre förstå hur svarta hål och deras binära system bildas, och kasta nytt ljus över rymdtidens grundläggande fysik.