Den tungeste sorte hul-fusion er blandt tre nylige gravitationsbølgefund

Forskere observerede, hvad der ser ud til at være et bulket sort hul sammenfiltret med et mere almindeligt. Forskerholdet, som omfatter fysikere fra University of Maryland, opdagede to sorte huller, der smelter sammen, men et af de sorte huller var 1 1/2 gange mere massivt end nogen nogensinde observeret i en sort hul-kollision. Forskerne mener, at det tungere sorte hul i parret kan være resultatet af en tidligere fusion mellem to sorte huller. Denne type hierarkisk kombination af sorte huller er tidligere blevet antaget, men den observerede begivenhed, mærket GW190521, ville være det første bevis for en sådan aktivitet. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Scientific Collaboration (LSC) og Virgo Collaboration annoncerede opdagelsen i to artikler offentliggjort 2. september, 2020, i journalerne Fysiske anmeldelsesbreve og Astrofysiske tidsskriftsbreve .

Forskerne identificerede de sammensmeltede sorte huller ved at detektere gravitationsbølgerne - krusninger i rum-tidens struktur - produceret i de sidste øjeblikke af fusionen. Gravitationsbølgerne fra GW190521 blev opdaget den 21. maj, 2019, af de to LIGO-detektorer placeret i Livingston, Louisiana, og Hanford, Washington, og Jomfru-detektoren i nærheden af ​​Pisa, Italien.

"Massen af ​​det større sorte hul i parret placerer det i det område, hvor det er uventet fra almindelige astrofysiske processer, " sagde Peter Shawhan, professor i fysik ved UMD, en LSC principal investigator og LSC observationsvidenskabelige koordinator. "Det virker for massivt til at være blevet dannet af en kollapset stjerne, det er der, sorte huller generelt kommer fra."

Det større sorte hul i det sammensmeltende par har en masse 85 gange større end solen. Et muligt scenarie foreslået af de nye papirer er, at det større objekt kan have været resultatet af en tidligere sort hul-fusion snarere end en enkelt kollapsende stjerne. Efter den nuværende forståelse, stjerner, der kunne føde sorte huller med masser mellem 65 og 135 gange større end solen, kollapser ikke, når de dør. Derfor, vi forventer ikke, at de danner sorte huller.

"Lige fra begyndelsen, dette signal, som kun er en tiendedel af et sekund langt, udfordrede os i at identificere dens oprindelse, " sagde Alessandra Buonanno, en College Park-professor ved UMD og en LSC-hovedforsker, der også har en ansættelse som direktør ved Max Planck Institute for Gravitational Physics i Potsdam, Tyskland. "Men, trods den korte varighed, vi var i stand til at matche signalet til et forventet af sorte hul-fusioner, som forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori, og vi indså, at vi havde været vidne til, for første gang, fødslen af ​​et mellemmasse sort hul fra en sort hul forælder, der højst sandsynligt er født fra en tidligere binær fusion."

GW190521 er en af ​​tre nyere gravitationsbølgeopdagelser, der udfordrer den nuværende forståelse af sorte huller og tillader videnskabsmænd at teste Einsteins generelle relativitetsteori på nye måder. De to andre begivenheder omfattede den første observerede sammensmeltning af to sorte huller med tydeligt ulige masser og en sammensmeltning mellem et sort hul og et mystisk objekt, som kan være det mindste sorte hul eller den største neutronstjerne, der nogensinde er observeret. En forskningsartikel, der beskriver sidstnævnte, blev offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve den 23. juni, 2000, mens et papir om den tidligere begivenhed snart vil blive offentliggjort Fysisk gennemgang D .

"Alle tre begivenheder er nye med masser eller masseforhold, som vi aldrig har set før, " sagde Shawhan, som også er fellow ved Joint Space-Science Institute, et partnerskab mellem UMD og NASAs Goddard Space Flight Center. "Så ikke kun lærer vi mere om sorte huller generelt, men på grund af disse nye ejendomme, vi er i stand til at se tyngdekraftens effekter omkring disse kompakte kroppe, som vi ikke har set før. Det giver os en mulighed for at teste teorien om generel relativitet på nye måder."

For eksempel, Den generelle relativitetsteori forudsiger, at binære systemer med tydeligt ulige masser vil producere gravitationsbølger med højere harmoniske, og det er præcis, hvad forskerne var i stand til at observere for første gang.

"Det, vi mener, når vi siger højere harmoniske, er som forskellen i lyd mellem en musikalsk duet med musikere, der spiller det samme instrument kontra forskellige instrumenter, " sagde Buonanno, som udviklede bølgeformsmodellerne til at observere harmoniske med sin LSC-gruppe. "Jo mere understruktur og kompleksitet binæren har - for eksempel er masserne eller spins af de sorte huller forskellige - jo rigere er spektret af den udsendte stråling."

Ud over disse tre sorte hul-fusioner og en tidligere rapporteret binær neutronstjernefusion, observationsløbet fra april 2019 til marts 2020 identificerede 52 andre potentielle gravitationsbølgehændelser. Begivenhederne blev sendt til et offentligt alarmeringssystem udviklet af LIGO og Jomfruens samarbejdsmedlemmer i et program, der oprindeligt stod i spidsen af ​​Shawhan, så andre videnskabsmænd og interesserede medlemmer af offentligheden kan evaluere tyngdebølgesignalerne.

"Gravitationsbølgehændelser bliver detekteret regelmæssigt, " sagde Shawhan, "og nogle af dem viser sig at have bemærkelsesværdige egenskaber, som udvider, hvad vi kan lære om astrofysik."