Tần số phát hiện sóng hấp dẫn

Bạn có thể đã nghe trong tin tức rằng thí nghiệm LIGO gần đây đã phát hiện ra sóng hấp dẫn.

Mặc dù tôi không phải là nhà thiên văn học, bài báo rất dễ đọc và hầu hết có thể truy cập được. Việc phát hiện sóng hấp dẫn là một chuyện, nhưng việc sáp nhập lỗ đen còn khá mới mẻ đối với tôi. Từ dữ liệu tôi có thể thu thập trong bài báo và trang web này, nguồn được ước tính khoảng 1,3 tỷ năm và tiếng hót líu lo chỉ kéo dài vài mili giây.

Câu hỏi của tôi: tần suất của các sự kiện của thứ tự kích thước này là gì? Có ước tính nào về mật độ của những sự kiện như vậy trong vũ trụ không?

Harry (2009) đã trích dẫn một số nguồn khác nhau cho biết, theo như chúng tôi biết, tỷ lệ các sự kiện có thể phát hiện được sẽ là

• 40 vụ sáp nhập sao neutron mỗi năm
• 30 10 M sáp nhập lỗ đen mỗi năm$_\odot$
• 10 sao neutron / sáp nhập lỗ đen mỗi năm

Đây là trong bán kính khoảng 200 Mpc. Tuy nhiên, điều này không thể được sử dụng để ngoại suy tổng tỷ lệ các sự kiện như vậy, vì sai lệch phát hiện - các đối tượng càng lớn, chúng càng dễ phát hiện. Điều tương tự cũng xảy ra với các ngoại hành tinh, nhưng vì những lý do khác nhau (ví dụ: các hành tinh có khối lượng lớn hơn hoặc gần hơn với các ngôi sao của chúng sẽ dễ dàng phát hiện hơn thông qua phương tiện vận chuyển hoặc bằng phương pháp vận tốc hướng tâm).

Tốc độ của sóng hấp dẫn được phát hiện ở biên độ này hoặc phát hiện sóng hấp dẫn do sự hợp nhất của các nhị phân lỗ đen đều là những đại lượng chưa biết trong thời điểm này. Đo lường những điều này một phần là mục đích của thí nghiệm.

Tỷ lệ phát hiện có thể được chuyển đổi thành tỷ lệ hợp nhất trên một đơn vị khối lượng trong không gian và chúng có thể được so sánh với các mô hình và dự đoán. Sự hợp tác aLIGO đã phát hành bài báo phát hiện đầu tiên của họ về chính chủ đề đó - Abbott et al. (2016) .

Khối lượng lớn của các lỗ đen được phát hiện ngụ ý rằng chúng hoặc hình thành trong môi trường nghèo kim loại từ sự sụp đổ lõi của các ngôi sao lớn hoặc chúng hình thành từ sự hợp nhất của các lỗ đen nhỏ hơn trong các cụm dày đặc. Phạm vi tỷ lệ được dự đoán trước đây cho việc sáp nhập các đối tượng như vậy bao trùm một phạm vi rộng lớn do sự không chắc chắn lớn về tốc độ sản xuất và cơ chế hình thành nhị phân của các đối tượng này và nằm trong khoảng từ 0 đến khoảng 1000 mỗi năm trên một khối Gigaparsec.

$z=0.09$

Như bạn có thể đoán, câu hỏi này rất đáng quan tâm đối với nhóm LIGO. Đồng thời với việc xuất bản bài báo mà bạn đề cập thông báo về phát hiện này, nhóm LIGO đã gửi một số giấy tờ đồng hành với thông tin chi tiết về phát hiện và dự đoán. Một trong những câu hỏi này giải quyết câu hỏi của bạn:

Tỷ lệ sáp nhập hố đen nhị phân được suy ra từ các quan sát LIGO tiên tiến xung quanh GW150914

Phương pháp ước tính tỷ lệ sự kiện của họ xem xét cả GW150914 và một sự kiện khác yếu hơn đáng kể (và ít có ý nghĩa thống kê). Họ xem xét một số mô hình về cách tỷ lệ sự kiện có thể phụ thuộc vào các thuộc tính hệ thống và hỏi những quan sát của GW150914 và sự kiện ứng cử viên khác có ý nghĩa gì đối với tỷ lệ chung. Các kết quả khác nhau từ mô hình này sang mô hình khác, nhưng họ đã chọn các mô hình mà họ cảm thấy có thể gần như đóng khung hành vi hợp lý về mặt vật lý. Như được tóm tắt trong bản tóm tắt của họ:

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

Lưu ý rằng bài báo được gửi, không được công bố, tức là vẫn đang được đánh giá ngang hàng. Nói như một người có chuyên môn về các tính toán như vậy, một số khía cạnh của phương pháp có vẻ khó hiểu đối với tôi, vì vậy tôi nghĩ rằng đáng để kiểm tra lại bài viết trong một vài tuần để sửa đổi. Không cần phương pháp ưa thích để thấy rằng thứ tự cường độ ở đây (một vài đến ~ 100 mỗi gigaparsec mỗi năm) nằm trong sân bóng phù hợp. Nhưng bài báo trình bày một phương pháp có thể đưa ra các ước tính và dự đoán chi tiết và chính xác hơn khi dữ liệu được tích lũy, vì vậy điều quan trọng là phải đảm bảo phương pháp này hợp lý.