Световая вспышка сопроводила гравитационные волны от вероятного слияния черных дыр
Астрофизики впервые обнаружили убедительные доводы в пользу того, что слияние пары черных дыр может сопровождаться электромагнитной вспышкой. На это указывают сопоставленные между собой данные детектора гравитационных волн и наземного оптического телескопа: после того, как первый зарегистрировал гравитационное событие (вероятнее всего — от слияния черных дыр), второй сфотографировал всплеск излучения в той же области неба. Работа опубликована в Physical Review Letters.
Гравитационные волны возникают при любом движении материи с переменным ускорением. Величина этих возмущений пропорциональна массе тела, которое генерирует колебания, и обычно очень мала: чтобы амплитуда волны стала существенной (то есть доступной для регистрации), ее должен производить тяжелый объект. Современные гравитационные детекторы способны улавливать сигналы, возникающие при слиянии компактных массивных тел — нейтронных звезд или черных дыр.
Наблюдение столкновений черных дыр обычно затруднено тем, что такие события происходят в очень разреженных областях космоса, а потому не сопровождаются электромагнитным излучением — основным на сегодняшний день источником астрофизических данных. Тем не менее, возможны ситуации, когда слияние черных дыр происходит в окружении плотных облаков материи — например, в аккреционном диске активного ядра галактики — сверхмассивной черной дыры. Как показали недавние исследования, в этом случае столкновение может приводить к электромагнитной вспышке, которая вызвана столкновениями потоков газа после слияния.
Ученые из Великобритании, Израиля и США под руководством Мэтью Грэхэма (Matthew Graham) из Калифорнийского технологического института обработали архивные наблюдения в поисках всплесков изучения, сопровождающих столкновения черных дыр. Для этого астрофизики воспользовались данными детектора LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), который в период с 1 апреля по 30 сентября 2019 идентифицировал 21 событие как вероятное слияние черных дыр. Среди них авторы выделили те столкновения, которые происходили вблизи активных ядер галактик, после чего обратились к наблюдениям телескопа Самуэля Ошина в Паломарской обсерватории в Калифорнии. Ученые включали в выборку те снимки электромагнитных вспышек, которые локализованы в том же регионе неба, что и гравитационное событие, и произошли не позднее, чем через 60 суток после регистрации столкновения в LIGO.
В результате исследователям удалось выделить в наблюдениях вспышку, которая, вероятно, была последствием слияния черных дыр — всплеск электромагнитного излучения ZTF19abanrhr вблизи активного галактического ядра J124942.3+344929 произошел спустя 34 дня после гравитационного события S190521g, локализованного в том же регионе.
Авторы подчеркивают, что гравитационные волны детектор зарегистрировал 21 мая 2019 года, и на момент написания работы событие еще не получило окончательного подтверждения от LIGO: то есть пока что это лишь предположительное слияние черных дыр. Тем не менее, на основе продолжительности (около 40 дней) и энергии (суммарно порядка 1051 эрг) вспышки ученым удалось с достоверностью свыше 99,9 процента исключить ряд других возможных причин ее возникновения. Так, маловероятными оказались всплеск собственной активности галактического ядра, вспышка сверхновой, микролинзирование и разрушение звезды под действием тяготения сверхмассивной черной дыры.
Кроме того, при условии, что излучение действительно было связано со столкновением черных дыр, авторы прогнозируют еще одну вспышку в том же регионе на масштабе времени порядка 1,6 года — примерно столько потребуется продукту слияния, чтобы вернуться в область аккреционного диска и снова образовать газовые потоки. Наблюдение повторного всплеска станет дополнительным доводом в пользу такого сценария и позволит осуществить более тщательный сбор информации для дальнейших исследований.
Ранее мы рассказывали о том, как самый мощный квазар позволил получить ограничения на массы зародышей черных дыр и скорости их роста и как сверхмассивные черные дыры лишили карликовые галактики новых звезд.
Николай Мартыненко
Один компьютер — на сверхпроводящих контурах, другой — на ионах в ловушках
Сразу две группы физиков сообщили о результатах по симуляции неабелевых энионов на квантовом процессоре. Группа Google Quantum AI использовала для этого сверхпроводящий квантовый компьютер — их результаты опубликованы в журнале Nature. Группа Quantinuum воспользовалась квантовым компьютером на ионах в ловушках. Ознакомиться с их исследованием можно по препринту. Энионами называют класс частиц и квазичастиц, которые занимают промежуточное положение между бозонами и фермионами относительно того, как меняется волновая функция после перестановки двух частиц из пары. Их существование возможно только в двумерном пространстве. Интерес к энионам обусловлен тем, что, переставляя их, можно проводить топологически защищенные квантовые вычисления. Подробнее об этом читайте в материалах «Наплели моду» и «Спиновая жидкость». Важное условие для этого — неабелевость энионов. Так называют ситуацию, при котором операторы перестановки не коммутируют. Другими словами, важны не только сами частицы, но и последовательности их перестановок. Обычно это представляют в виде переплетения мировых линий частиц. Поиск неабелевых энионов (или неабелеонов) велся по большей части в твердотельных платформах. Физики пытались найти квазичастицы с такими свойствами. Другой подход основан на симуляции неабелеонной волновой функции с помощью ресурсов квантового процессора. Именно это удалось недавно сделать двум группам: команде Google Quantum AI, работающей на сверхпроводящем квантовой компьютере, и команде Quantinuum, в распоряжении которой есть квантовый компьютер на ионах. Работа физиков из Google во многом пересекается с исследованием, в котором они доказали выгоду от масштабирования коррекции ошибок с помощью поверхностного кода (мы рассказывали об этом недавно). Поверхностным кодом называется объединение нескольких физических кубитов в один логический. Такой подход позволяет исправлять потерю квантовой информации, вызванную декогеренцией. В новом исследовании роль неабелевых энионов играли определенные дефекты в поверхностном коде, представленном в виде квадратного графа. Дефекты имели топологический характер, а потому демонстрировали нужные свойства. Физики показали, что, перемещая дефекты по графу, можно проводить плетение и кодировать таким способом квантовую информацию. Процессор позволил создать восемь неабелионов, которые авторы использовали, чтобы закодировать три логических кубита и перевести их в состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ состояние). Таким образом физики показали, что логические кубиты на основе неабелевых энионов в сверхпроводящем квантовом процессоре потенциально пригодны для квантовых вычислений. Физики из Quantinuum работали на квантовом компьютере H2, который состоит из 33 ионов иттербия, удерживаемых в чипе электронными ловушками. Стартовой точкой в этом исследовании стало запутывание 27 из них в состояние, которое можно было бы описать с помощью решетки кагомэ с периодическими граничными условиями. Такую решетку проще всего представить свернутой в тор. Полученная поверхность представляла собой виртуальное двумерное пространство, в котором могли существовать неабелевы энионы. Физики возбуждали их парами, применяя определенные логические операторы к запутанному состоянию. Они убедились, что движение возбуждений по решетке имеет неабелев характер и допускает плетение. Таким путем они создали из мировых линий трех неабелеонов топологические кольца Борромео. Манипуляции с топологией привлекают большое внимание ученых. Эти исследования были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году. Подробнее о том, за что ее вручили, мы рассказывали в материале «Топологически защищен».