Sort hul familieportræt er mest detaljeret til dato

Et internationalt forskningssamarbejde, herunder Northwestern University-astronomer, har produceret det mest detaljerede familieportræt af sorte huller til dato, giver nye fingerpeg om, hvordan sorte huller dannes. En intens analyse af de seneste tilgængelige gravitationsbølgedata førte til det rige portræt såvel som flere test af Einsteins generelle relativitetsteori. (Teorien bestod hver test.)

Holdet af videnskabsmænd, der udgør LIGO Scientific Collaboration (LSC) og Jomfruen Collaboration, deler nu de fulde detaljer om sine opdagelser. Dette inkluderer nye tyngdebølgedetekteringskandidater, som holdt op til granskning - i alt 39, repræsenterer en række sorte huller og neutronstjerner - og nye opdagelser som et resultat af at kombinere alle observationerne. De 39 hændelser var i gennemsnit mere end én om ugen for observation.

Observationerne kan være en nøglebrik i løsningen af ​​de mange mysterier om præcis, hvordan binære stjerner interagerer. En bedre forståelse af, hvordan binære stjerner udvikler sig, har konsekvenser på tværs af astronomi, fra exoplaneter til galaksedannelse.

Detaljer er rapporteret i en trio af relaterede papirer, som vil være tilgængelige i fortryk den 28. oktober på arxiv.org. Undersøgelserne bliver også sendt til peer-reviewede tidsskrifter.

Gravitationsbølgesignalerne, som undersøgelserne er baseret på, blev detekteret under den første halvdel af den tredje observationskørsel, kaldet O3a, af National Science Foundation's Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory (LIGO), et par identiske, 4-kilometer lange interferometre i USA, og jomfruen, en 3 kilometer lang detektor i Italien. Instrumenterne kan detektere gravitationsbølgesignaler fra mange kilder, herunder kolliderende sorte huller og kolliderende neutronstjerner.

"Gravitationsbølgeastronomi er revolutionerende - og afslører for os sorte hullers og neutronstjerners skjulte liv, " sagde Christopher Berry, et LSC-medlem og forfatter til papirerne. "På bare fem år er vi gået fra ikke at vide, at der eksisterer binære sorte huller til at have et katalog på over 40. Den tredje observationskørsel har givet flere opdagelser end nogensinde før. Kombinationen af ​​dem med tidligere opdagelser tegner et smukt billede af universets rige variation. af binære filer."

Berry er CIERA Board of Visitors Research Professor i Northwesterns CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics) og underviser ved University of Glasgow. Andre Northwestern forfattere omfatter CIERA medlemmer Maya Fishbach og Chase Kimball. CIERA er hjemsted for en bred gruppe af forskere inden for teori, simulering og observation, der studerer sorte huller, neutronstjerner, hvide dværge og mere.

Som medlem af samarbejdet Nordvestlige forskere analyserede data fra gravitationsbølgedetektorerne for at udlede egenskaberne af detekterede sorte hul- og neutronstjerne-binære og for at give en astrofysisk fortolkning af disse opdagelser.

Papirerne er opsummeret som følger:

• "Katalogpapiret" beskriver detektionen af ​​sorte huller og neutronstjerner fra den første halvdel af O3a, hvilket bringer det samlede antal af detektionskandidater for den periode til 39. Dette antal overstiger langt detektioner fra de første to observationskørsler. (Den første kørsel havde tre gravitationsbølgedetekteringer, og den anden havde otte.) Tidligere annoncerede påvisninger fra O3a inkluderer et mystisk objekt i massegabet (GW190814) og det første af sin slags mellemmasse sorte hul (GW190521).
• I "populationspapiret, " forskerne rekonstruerede fordelingen af ​​masser og spin af sorte hul-populationen og estimerede fusionshastigheden for binære neutronstjerner. Resultaterne vil hjælpe videnskabsmænd med at forstå de detaljerede astrofysiske processer, som former, hvordan disse systemer dannes. Denne forbedrede forståelse af massefordelingen af sorte huller og at vide, at sorte hul-spin kan være forkert justeret, tyder på, at der kunne være flere måder, hvorpå binære sorte huller kan dannes.
• Ved at bruge det sæt af detektioner, der er rapporteret i katalogpapiret, forskerne udførte detaljerede analyser ved at kombinere alt sammen. I det de kalder "testende generel relativitetsteori, "forfatterne lagde begrænsninger på Einsteins generelle relativitetsteori. Teorien bestod med glans, og de opdaterede deres bedste målinger på potentielle ændringer.

"Indtil nu, LIGO og Jomfruens tredje observationsløb har givet mange overraskelser, sagde Fishbach, en NASA Einstein postdoc og LSC-medlem. "Efter det andet observationsløb, Jeg troede, vi havde set hele spektret af binære sorte huller, men landskabet af sorte huller er meget rigere og mere varieret, end jeg havde forestillet mig. Jeg er spændt på at se, hvad fremtidige observationer vil lære os."

Fishbach koordinerede skrivningen af ​​populationspapiret, som skitserer, hvad samarbejdet har lært om egenskaberne for familien af ​​sammensmeltende sorte huller og neutronstjerner.

Berry hjalp med at koordinere analyser som en del af et globalt team for at udlede egenskaberne af detektionerne, og han fungerede som LSC Editorial Board-anmelder for kataloget og test af generelle relativitetsteorier.

Kandidatstuderende Chase Kimball, et LSC-medlem, bidrog med beregninger af fusionsraterne til befolkningspapiret. Kimball rådgives i fællesskab af Berry og Vicky Kalogera, hovedefterforskeren for Northwesterns LSC-gruppe, direktør for CIERA og Daniel I. Linzer Distinguished University Professor of Physics and Astronomy i Weinberg College of Arts and Sciences.

LIGO- og Jomfru-detektorerne afsluttede deres seneste observation i marts. Dataene analyseret i disse tre artikler blev indsamlet fra 1. april, 2019, til 1. okt. 2019. Forskere er i gang med at analysere data fra anden halvdel af observationskørslen, O3b.

Detektorerne er planlagt til at genoptage observation næste år, efter at der er udført arbejde på at øge deres detektionsområde.

"Sammenlægning af sorte hul- og neutronstjerne-binære filer er et unikt laboratorium, " sagde Berry. "Vi kan bruge dem til at studere både tyngdekraften - indtil videre har Einsteins generelle relativitetsteori bestået hver eneste test - og astrofysikken om, hvordan massive stjerner lever deres liv. LIGO og Jomfruen har transformeret vores evne til at observere disse binære filer, og, efterhånden som vores detektorer forbedres, opdagelseshastigheden vil kun accelerere."