Дві надмасивні чорні діри, кожна вагою у мільйони або мільярди мас Сонця, обертаються одна навколо одної в центрі зливаної галактики. Мільйони років орбіта звужується, швидкість зростає, і зрештою обидва об'єкти зливаються в одну ще масивнішу чорну діру. Цей процес випромінює гравітаційні хвилі — коливання самої тканини простору-часу, які поширюються зі швидкістю світла.
Виявити такі хвилі з Землі поки неможливо: наземні детектори на кшталт LIGO чутливі до набагато швидших і легших подій — злиттів зоряних чорних дір. Для сигналів від надмасивних пар потрібен інструмент, що працює в іншому діапазоні частот. Саме таким стане космічна обсерваторія LISA.
LISA слухає найповільніші гравітаційні хвилі
LISA (Laser Interferometer Space Antenna) — майбутня космічна гравітаційно-хвильова обсерваторія. Вона складатиметься з трьох апаратів, що утворюють трикутник у космосі й вимірюють мізерні зміни відстані між собою за допомогою лазерних променів.
Такий трикутник чутливий до гравітаційних хвиль із набагато нижчою частотою, ніж уловлюють наземні детектори. Саме в цьому діапазоні народжуються сигнали від злиття надмасивних чорних дір у ядрах галактик.
Група дослідників на чолі з Франческо Нобілі розробила алгоритм, який дозволяє помітити наближення такого злиття задовго до кульмінації. За оцінками авторів, багато таких пар будуть виявними за години, а іноді й за тижні до самого зіткнення.
Як алгоритм читає сигнал ще до злиття
В основі методу — пошук «надлишкової потужності» у спектрограмах сигналу, побудованих за допомогою короткочасного перетворення Фур'є. Це стандартний спосіб показати, як частота сигналу змінюється з часом.
Сигнал від пари чорних дір, що зближуються, має характерну форму: частота поступово зростає — так званий чирп. Алгоритм розбиває часо-частотну площину на «плитки», форма яких визначається очікуваною еволюцією частоти квадрупольного випромінювання, і оцінює, наскільки сильно сигнал у кожній плитці виділяється на тлі приладового шуму та фонового випромінювання зір Чумацького Шляху.
Окремі спрацьовування алгоритму («тригери») потім групує модуль стеження за когерентністю — він поєднує тригери, які з часом виглядають частинами того самого фізичного сигналу. Це дозволяє поступово уточнювати дві ключові величини: чирп-масу системи (комбінацію мас обох чорних дір, що визначає форму сигналу) і точний момент злиття.
Чим ближче до злиття, тим більше даних накопичив алгоритм — і тим точнішими стають ці оцінки.
Перевірка на тестовому наборі даних Sangria
Метод перевірили на наборі даних Sangria — тестовому наборі, підготовленому для симуляції реальних спостережень LISA. У нього закладено 15 сигналів від пар надмасивних чорних дір.
Алгоритм виявив усі 15. Для 14 із них попередження прийшло за години або навіть тижні до фактичного злиття. Один сигнал вдалося розпізнати лише постфактум — уже після того, як злиття відбулося.
Для джерел із високим співвідношенням сигнал/шум похибка оцінки чирп-маси не перевищувала 3%. Невизначеність моменту злиття для окремих джерел становила лише кілька годин.
Обчислювальні витрати виявились несподівано низькими: обробка десятиденного сегмента даних на одному процесорному ядрі займає менше секунди.
Що зміниться для спостережень у реальному часі
Швидкість роботи алгоритму — ключова деталь. Вона робить метод придатним для генерації сповіщень у реальному часі: якщо злиття очікується за години чи дні, обсерваторії на Землі та в космосі встигнуть спрямувати інструменти в потрібну точку неба заздалегідь.
Це відкриває можливість спостерігати злиття надмасивних чорних дір одночасно в гравітаційних хвилях і в електромагнітному випромінюванні — рентгенівському, оптичному, радіодіапазоні. Такі одночасні спостереження вже давно вважають одним із найцінніших інструментів астрофізики, але досі вони стосувалися переважно зіткнень нейтронних зір.
Крім тригерів для телескопів, попередні оцінки маси й часу злиття можуть слугувати вихідними даними для повнішого баєсівського аналізу параметрів системи вже після того, як усі дані про подію будуть зібрані.
