Astrofysikere opdager de første sorte hul-neutronstjernefusioner

For lang tid siden, i to galakser omkring 900 millioner lysår væk, to sorte huller slugte hver deres neutronstjernekammerater, udløser gravitationsbølger, der endelig ramte Jorden i januar 2020.

Opdaget af et internationalt hold af astrofysikere, herunder forskere fra Northwestern University, to begivenheder - opdaget med kun 10 dages mellemrum - markerer den første nogensinde påvisning af et sort hul, der smelter sammen med en neutronstjerne. Resultaterne vil gøre det muligt for forskere at drage de første konklusioner om oprindelsen af ​​disse sjældne binære systemer, og hvor ofte de smelter sammen.

"Gravitationsbølger har gjort det muligt for os at opdage kollisioner af par af sorte huller og par af neutronstjerner, men den blandede kollision mellem et sort hul og en neutronstjerne har været den undvigende del af familiebilledet af sammensmeltninger af kompakte objekter, " sagde Chase Kimball, en Northwestern kandidatstuderende, der var medforfatter til undersøgelsen. "At færdiggøre dette billede er afgørende for at begrænse mængden af ​​astrofysiske modeller for kompakt objektdannelse og binær evolution. Iboende til disse modeller er deres forudsigelser af hastigheden, som sorte huller og neutronstjerner smelter sammen indbyrdes. Med disse påvisninger, vi har endelig målinger af fusionsraterne på tværs af alle tre kategorier af kompakte binære fusioner."

Forskningen vil blive offentliggjort den 29. juni i Astrofysiske tidsskriftsbreve . Holdet omfatter forskere fra LIGO Scientific Collaboration (LSC), Jomfruen Collaboration og Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) projektet. Et LSC-medlem, Kimball ledede beregninger af fusionshastighedsestimaterne, og hvordan de passer ind i forudsigelser fra de forskellige dannelseskanaler for neutronstjerner og sorte huller. Han bidrog også til diskussioner om de astrofysiske implikationer af opdagelsen.

Kimball rådgives af Vicky Kalogera, hovedefterforskeren for Northwesterns LSC-gruppe, direktør for Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) og Daniel I. Linzer Distinguished Professor of Physics and Astronomy i Weinberg Colleges of Arts and Sciences; og af Christopher Berry, et LSC-medlem og CIERA Board of Visitors Research Professor ved Northwestern samt en underviser ved Institute for Gravitational Research ved University of Glasgow. Andre Northwestern medforfattere inkluderer Maya Fishbach, en NASA Einstein postdoc og LSC-medlem.

To arrangementer på ti dage

Holdet observerede de to nye gravitationsbølgehændelser – døbt GW200105 og GW200115 – den 5. januar, 2020, og 15. januar, 2020, under anden halvdel af LIGO- og Jomfru-detektorernes tredje observationskørsel, kaldet O3b. Selvom flere observatorier udførte adskillige opfølgende observationer, ingen observerede lys fra nogen af ​​begivenhederne, i overensstemmelse med de målte masser og afstande.

"Efter den fristende opdagelse, annonceret i juni 2020, af en sort-huls fusion med et mystisk objekt, som kan være den mest massive neutronstjerne kendt, det er også spændende at have opdagelsen af ​​klart identificerede blandede fusioner, som forudsagt af vores teoretiske modeller i årtier nu, " sagde Kalogera. "Kvantitativt at matche hastighedsbegrænsningerne og egenskaberne for alle tre befolkningstyper vil være en effektiv måde at besvare de grundlæggende spørgsmål om oprindelse."

Alle tre store detektorer (både LIGO-instrumenter og Virgo-instrumentet) detekterede GW200115, som var resultatet af sammensmeltningen af ​​et sort hul med 6 solmasser med en neutronstjerne på 1,5 solmasse, omkring 1 milliard lysår fra Jorden. Med observationer af de tre vidt adskilte detektorer på Jorden, retningen til bølgernes oprindelse kan bestemmes til en del af himlen svarende til området dækket af 2, 900 fuldmåner.

Blot 10 dage tidligere, LIGO registrerede et stærkt signal fra GW200105, using just one detector while the other was temporarily offline. While Virgo also was observing, the signal was too quiet in its data for Virgo to help detect it. From the gravitational waves, the astronomers inferred that the signal was caused by a 9-solar mass black hole colliding with a 1.9-solar mass compact object, which they ultimately concluded was a neutron star. This merger happened at a distance of about 900 million light-years from Earth.

Because the signal was strong in only one detector, the astronomers could not precisely determine the direction of the waves' origin. Although the signal was too quiet for Virgo to confirm its detection, its data did help narrow down the source's potential location to about 17% of the entire sky, which is equivalent to the area covered by 34, 000 full moons.

Where do they come from?

Because the two events are the first confident observations of gravitational waves from black holes merging with neutron stars, the researchers now can estimate how often such events happen in the universe. Although not all events are detectable, the researchers expect roughly one such merger per month happens within a distance of one billion light-years.

While it is unclear where these binary systems form, astronomers identified three likely cosmic origins:stellar binary systems, dense stellar environments including young star clusters, and the centers of galaxies.

The team is currently preparing the detectors for a fourth observation run, to begin in summer 2022.

"We've now seen the first examples of black holes merging with neutron stars, so we know that they're out there, " Fishbach said. "But there's still so much we don't know about neutron stars and black holes—how small or big they can get, how fast they can spin, how they pair off into merger partners. With future gravitational wave data, we will have the statistics to answer these questions, and ultimately learn how the most extreme objects in our universe are made."