Davno, u dvije galaksije udaljene oko 900 milijuna svjetlosnih godina, dvije crne rupe pojele su svoje suputnike neutronske zvijezde, pokrećući gravitacijske valove koji su napokon pogodili Zemlju u siječnju 2020. godine.
Otkriven od strane međunarodnog tima astrofizičara, uključujući istraživače Sveučilišta Northwestern, dva događaja – otkrivena u razmaku od samo 10 dana – predstavljaju prvo otkriće crne rupe koja se spaja s neutronskom zvijezdom. Nalazi će omogućiti istraživačima da donesu prve zaključke o podrijetlu ovih rijetkih binarnih sustava i o tome koliko se često spajaju.
“Gravitacijski valovi omogućili su nam otkrivanje sudara parova crnih rupa i parova neutronskih zvijezda, ali mješoviti sudar crne rupe s neutronskom zvijezdom nedostižni je nedostajući dio obiteljske slike spajanja kompaktnih objekata”, rekla je Chase Kimball. „Dovršavanje ove slike ključno je za ograničavanje mnoštva astrofizičkih modela kompaktnog formiranja objekata i binarne evolucije. Svojim su modelima predvidili brzine spajanja crnih rupa i neutronskih zvijezda. S ovim otkrićima konačno imamo mjerenja stope spajanja u sve tri kategorije kompaktnih binarnih spajanja. “
Iz numeričke simulacije relativne relacije binarnog spajanja neutronske zvijezde i crne rupe iz MAYA suradnje. Usredotočen na spajajuće objekte koji prikazuju poremećaj neutronske zvijezde. Zasluge: Deborah Ferguson (UT Austin), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech), Karan Jani (Vanderbilt)
Istraživanje će biti objavljeno 29. lipnja u Astrophysical Journal Letters. Tim uključuje istraživače iz LIGO znanstvene suradnje (LSC), projekta Kamioka detektor gravitacijskog vala (KAGRA). Član LSC-a, Kimball je vodio izračune procjena stope spajanja i kako se oni uklapaju u predviđanja iz različitih formacijskih kanala neutronskih zvijezda i crnih rupa. Također je pridonio raspravama o astrofizičkim implikacijama otkrića.
Kimballu savjetuju Vicky Kalogera, glavna istražiteljica LSC grupe Northwestern, direktorica Centra za interdisciplinarno istraživanje i istraživanje u astrofizici (CIERA) i ugledni profesor fizike i astronomije Daniel I. Linzer na Weinberg koledžima za umjetnost i umjetnost Znanosti; i Christopher Berry, član LSC-a i profesor istraživanja posjetitelja odbora CIERA na Northwesternu, kao i predavač na Institutu za gravitacijska istraživanja Sveučilišta u Glasgowu. Među ostalim koautorima na sjeverozapadu uključuju Mayu Fishbach, NASA-inu Einsteinovu postdoktorsku suradnicu i članicu LSC-a.
Dva događaja u deset dana
Tim je promatrao dva nova događaja gravitacijskog vala – nazvana GW200105 i GW200115 – 5. siječnja 2020. i 15. siječnja 2020., tijekom druge polovice trećeg promatračkog ciklusa LIGO i Djevice Djevice, nazvanog O3b. Iako je više zvjezdarnica provodilo nekoliko naknadnih promatranja, niti jednom nije promatrana svjetlost niti jednog događaja, u skladu s izmjerenim masama i udaljenostima.
„Nakon mučnog otkrića, najavljenog u lipnju 2020. godine, spajanja crne rupe s misterioznim objektom, koji je možda najmasivnija poznata neutronska zvijezda, uzbudljivo je i otkrivanje jasno identificiranih mješovitih spajanja, kao što je predviđao naš teorijski modeli već desetljećima “, rekao je Kalogera. “Kvantitativno podudaranje ograničenja stope i svojstava za sve tri vrste stanovništva bit će moćan način da se odgovore na temeljna pitanja porijekla.”
Sva tri velika detektora (i LIGO instrumenti i instrument Virgo) otkrili su GW200115, što je rezultat spajanja crne rupe od 6 solarnih masa s neutronskom zvijezdom od 1,5 solarne mase, udaljene otprilike 1 milijardu svjetlosnih godina od Zemlje. Promatranjima tri široko odvojena detektora na Zemlji, smjer prema podrijetlu valova može se odrediti prema dijelu neba ekvivalentnom području pokrivenom s 2900 punih mjeseci.
Samo 10 dana ranije, LIGO je otkrio snažan signal s GW200105, koristeći samo jedan detektor, dok je drugi bio privremeno izvan mreže. Dok je Djevica također promatrala, signal je bio previše tih u svojim podacima da bi ga Djevica mogla prepoznati. Iz gravitacijskih valova, astronomi su zaključili da je signal uzrokovan crnom rupom od 9 solarnih masa koja se sudarala s kompaktnim objektom od 1,9 solarne mase, za koji su na kraju zaključili da je neutronska zvijezda. Ovo se spajanje dogodilo na udaljenosti od oko 900 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje.
Budući da je signal bio jak samo u jednom detektoru, astronomi nisu mogli precizno odrediti smjer porijekla valova. Iako je Virgo bio pretihi signal da bi potvrdila njegovo otkrivanje, njegovi su podaci ipak pomogli suziti potencijalno mjesto izvora na oko 17% cijelog neba, što je ekvivalent površini pokrivenoj s 34.000 punih mjeseci.
Odakle dolaze?
Budući da su ta dva događaja prva samouvjerena promatranja gravitacijskih valova iz crnih rupa koja se spajaju s neutronskim zvijezdama, istraživači sada mogu procijeniti koliko se često takvi događaji događaju u svemiru. Iako nisu svi događaji uočljivi, istraživači očekuju da se približno jedno takvo spajanje mjesečno dogodi na udaljenosti od milijardu svjetlosnih godina.
Iako je nejasno gdje se ovi binarni sustavi tvore, astronomi su identificirali tri vjerojatna kozmička podrijetla: zvjezdani binarni sustavi, gusta zvjezdana okruženja uključujući mlade zvjezdane nakupine i središta galaksija.
Tim trenutno priprema detektore za četvrtu promatračku seriju koja započinje u ljeto 2022. godine.
“Sad smo vidjeli prve primjere crnih rupa koje se stapaju s neutronskim zvijezdama, pa znamo da su one vani”, rekao je Fishbach. “Ali još uvijek imamo toliko toga što ne znamo o neutronskim zvijezdama i crnim rupama – koliko male ili velike mogu biti, koliko se brzo mogu okretati, kako se udružuju u partnere za spajanje. S budućim podacima gravitacijskog vala imat ćemo statistiku koja će odgovoriti na ova pitanja i u konačnici naučiti kako se izrađuju najekstremniji objekti u našem svemiru. “
Referenca: 29. lipnja 2021., Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac082e