Enten den tungeste kendte neutronstjerne eller det letteste kendte sorte hul:LIGO-Jomfruen finder mystisk objekt i massegab

Når de mest massive stjerner dør, de kollapser under deres egen tyngdekraft og efterlader sorte huller; når stjerner, der er lidt mindre massive, dør, de eksploderer i en supernova og efterlader tætte, døde rester af stjerner kaldet neutronstjerner. I årtier, astronomer er blevet forundret over et hul, der ligger mellem neutronstjerner og sorte huller:den tungeste kendte neutronstjerne er ikke mere end 2,5 gange vores sols masse, eller 2,5 solmasser, og det letteste kendte sorte hul er omkring fem solmasser. Spørgsmålet forblev:ligger der noget i denne såkaldte massekløft?

Nu, i en ny undersøgelse fra National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) og Jomfru-detektoren i Europa, videnskabsmænd har annonceret opdagelsen af ​​et objekt på 2,6 solmasser, placere det fast i massemellemrummet. Genstanden blev fundet den 14. august, 2019, da det smeltede sammen med et sort hul med 23 solmasser, genererer et stænk af gravitationsbølger, der er detekteret tilbage på Jorden af ​​LIGO og Jomfruen. Et papir om påvisningen er blevet accepteret til offentliggørelse i The Astrophysical Journal Letters .

"Vi har ventet i årtier på at løse dette mysterium, " siger medforfatter Vicky Kalogera, professor ved Northwestern University. "Vi ved ikke, om dette objekt er den tungeste kendte neutronstjerne, eller det letteste kendte sorte hul, men uanset hvad slår det rekord."

"Dette vil ændre, hvordan forskere taler om neutronstjerner og sorte huller, " siger medforfatter Patrick Brady, en professor ved University of Wisconsin, Milwaukee, og talsmanden for LIGO Scientific Collaboration. "Massegabet eksisterer måske slet ikke, men kan have været på grund af begrænsninger i observationsevner. Tid og flere observationer vil vise."

Den kosmiske fusion beskrevet i undersøgelsen, en begivenhed kaldet GW190814, resulterede i et endeligt sort hul omkring 25 gange solens masse (noget af den sammenlagte masse blev omdannet til et eksplosion af energi i form af gravitationsbølger). Det nydannede sorte hul ligger omkring 800 millioner lysår væk fra Jorden.

Før de to objekter smeltede sammen, deres masser afveg med en faktor på 9, hvilket gør dette til det mest ekstreme masseforhold kendt for en gravitationsbølgebegivenhed. En anden nylig rapporteret LIGO-Jomfru begivenhed, kaldet GW190412, forekom mellem to sorte huller med et masseforhold på omkring 4:1.

"Det er en udfordring for nuværende teoretiske modeller at danne sammensmeltende par af kompakte objekter med så stort et masseforhold, hvor lavmassepartneren befinder sig i massegabet. Denne opdagelse indebærer, at disse begivenheder forekommer meget oftere, end vi forudsagde, gør dette til et virkelig spændende objekt med lav masse, " forklarer Kalogera. "Det mystiske objekt kan være en neutronstjerne, der smelter sammen med et sort hul, en spændende mulighed forventet teoretisk, men endnu ikke bekræftet observationelt. Imidlertid, ved 2,6 gange vores sols masse, det overgår moderne forudsigelser for neutronstjerners maksimale masse, og kan i stedet være det letteste sorte hul, der nogensinde er opdaget."

Da LIGO- og Jomfru-forskerne opdagede denne fusion, de sendte straks en alarm ud til det astronomiske samfund. Snesevis af jord- og rumbaserede teleskoper fulgte op i jagten på lysbølger genereret i begivenheden, men ingen opfangede nogen signaler. Indtil nu, sådanne lysmodstykker til gravitationsbølgesignaler er kun set én gang, i en begivenhed kaldet GW170817. Begivenheden, opdaget af LIGO-Virgo netværket i august 2017, involverede en flammende kollision mellem to neutronstjerner, der efterfølgende blev overværet af snesevis af teleskoper på Jorden og i rummet. Neutronstjernekollisioner er rodede affærer med stof slynget udad i alle retninger og forventes derfor at skinne med lys. Omvendt sorte hul fusioner, i de fleste tilfælde, menes ikke at producere lys.

Ifølge LIGO og Jomfruens forskere, begivenheden i august 2019 blev ikke set af lysbaserede teleskoper af et par mulige årsager. Først, denne begivenhed var seks gange længere væk end fusionen observeret i 2017, gør det sværere at opfange lyssignaler. For det andet hvis kollisionen involverede to sorte huller, det ville sandsynligvis ikke have skinnet med noget lys. For det tredje, hvis objektet i virkeligheden var en neutronstjerne, dens 9 gange mere massive sorte hul-partner kunne have slugt den hel; en neutronstjerne forbrugt hel af et sort hul ville ikke afgive lys.

"Jeg tænker på, at Pac-Man spiser en lille prik, " siger Kalogera. "Når masserne er meget asymmetriske, den mindre neutronstjerne kan spises i én bid."

Hvordan vil forskerne nogensinde vide, om det mystiske objekt var en neutronstjerne eller et sort hul? Fremtidige observationer med LIGO, Jomfruen, og muligvis andre teleskoper kan fange lignende begivenheder, der ville hjælpe med at afsløre, om der findes yderligere objekter i massegabet.

"This is the first glimpse of what could be a whole new population of compact binary objects, " says Charlie Hoy, a member of the LIGO Scientific Collaboration and a graduate student at Cardiff University. "What is really exciting is that this is just the start. As the detectors get more and more sensitive, we will observe even more of these signals, and we will be able to pinpoint the populations of neutron stars and black holes in the universe."

"The mass gap has been an interesting puzzle for decades, and now we've detected an object that fits just inside it, " says Pedro Marronetti, program director for gravitational physics at the National Science Foundation (NSF). "That cannot be explained without defying our understanding of extremely dense matter or what we know about the evolution of stars. This observation is yet another example of the transformative potential of the field of gravitational-wave astronomy, which brings novel insights to light with every new detection."