Astrofizycy odkryli pierwsze łączenia się czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi

Astrofizycy odkryli pierwsze łączenia się czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi

Dawno temu, w dwóch galaktykach odległych o 900 milionów lat świetlnych, dwie czarne dziury pochłonęły swoich towarzyszy z gwiazd neutronowych, wywołując fale grawitacyjne, które w końcu uderzyły w Ziemię w styczniu 2020 roku. Odkryte przez międzynarodowy zespół astrofizyków, w tym badaczy z Northwestern University, dwa zdarzenia – wykryte w odstępie zaledwie 10 dni – oznaczają pierwsze w historii wykrycie czarnej dziury łączącej się z gwiazdą neutronową. Odkrycia umożliwią naukowcom wyciągnięcie pierwszych wniosków na temat pochodzenia tych rzadkich układów binarnych i częstotliwości ich łączenia. „Fale grawitacyjne pozwoliły nam wykryć zderzenia par czarnych dziur i par gwiazd neutronowych, ale mieszane zderzenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową było nieuchwytnym brakującym elementem rodzinnego obrazu łączenia się zwartych obiektów” – powiedział Chase. Kimball, absolwent Northwestern, który był współautorem badania. „Dopełnienie tego obrazu ma kluczowe znaczenie dla ograniczenia wielu astrofizycznych modeli formowania się zwartych obiektów i ewolucji układów binarnych. Nieodłączne od tych modeli są ich przewidywania dotyczące szybkości łączenia się czarnych dziur i gwiazd neutronowych. wskaźniki fuzji we wszystkich trzech kategoriach kompaktowych fuzji binarnych”. Wyniki badań zostaną opublikowane 29 czerwca w Astrophysical Journal Letters. W skład zespołu wchodzą naukowcy z projektu LIGO Scientific Collaboration (LSC), Virgo Collaboration oraz projektu Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA). Członek LSC, Kimball, prowadził obliczenia szacunków szybkości łączenia się i ich dopasowania do przewidywań z różnych kanałów formacji gwiazd neutronowych i czarnych dziur. Brał również udział w dyskusjach na temat astrofizycznych implikacji odkrycia. Kimballowi współdoradza Vicky Kalogera, główny badacz Northwestern’s LSC Group, dyrektor Centrum Interdyscyplinarnych Badań i Eksploracji Astrofizyki (CIERA) oraz Daniel I. Linzer Distinguished Professor of Physics and Astronomy in Weinberg Colleges of Arts and Nauki; oraz Christopher Berry, członek LSC i profesor CIERA Board of Visitors Research Professor w Northwestern, a także wykładowca w Institute for Gravitational Research na Uniwersytecie w Glasgow. Inni współautorzy Northwestern to Maya Fishbach, członek NASA Einstein Postdoctoral Fellow i członek LSC.
Dwa wydarzenia w dziesięć dni
Zespół zaobserwował dwa nowe zdarzenia fal grawitacyjnych – nazwane GW200105 i GW200115 – 5 stycznia 2020 r. i 15 stycznia 2020 r. podczas drugiej połowy trzeciego biegu obserwacyjnego detektorów LIGO i Virgo, zwanego O3b. Chociaż wiele obserwatoriów przeprowadziło kilka dalszych obserwacji, żadne nie zaobserwowało światła z żadnego zdarzenia, zgodnego ze zmierzonymi masami i odległościami. „Po kuszącym odkryciu, ogłoszonym w czerwcu 2020 r., połączenia czarnych dziur z tajemniczym obiektem, który może być najmasywniejszą znaną gwiazdą neutronową, ekscytujące jest również wykrycie wyraźnie zidentyfikowanych mieszanych połączeń, jak przewiduje nasz modele teoretyczne od dziesięcioleci” – powiedział Kalogera. „Ilościowe dopasowanie ograniczeń szybkości i właściwości dla wszystkich trzech typów populacji będzie potężnym sposobem odpowiedzi na podstawowe pytania dotyczące pochodzenia”. Wszystkie trzy duże detektory (zarówno instrumenty LIGO, jak i instrument Virgo) wykryły GW200115, który powstał w wyniku połączenia czarnej dziury o masie 6 Słońca z gwiazdą neutronową o masie 1,5 Słońca, około 1 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Dzięki obserwacjom trzech odległych od siebie detektorów na Ziemi można określić kierunek pochodzenia fal dla części nieba odpowiadającej obszarowi objętemu przez 2900 księżyców w pełni. Zaledwie 10 dni wcześniej LIGO wykryło silny sygnał z GW200105, używając tylko jednego detektora, podczas gdy drugi był tymczasowo niedostępny. Podczas gdy Panna również obserwowała, sygnał był zbyt cichy w swoich danych, aby Panna mogła go wykryć. Na podstawie fal grawitacyjnych astronomowie wywnioskowali, że sygnał został spowodowany zderzeniem czarnej dziury o masie 9 mas Słońca ze zwartym obiektem o masie 1,9 mas Słońca, który ostatecznie uznali za gwiazdę neutronową. To połączenie nastąpiło w odległości około 900 milionów lat świetlnych od Ziemi. Ponieważ sygnał był silny tylko w jednym detektorze, astronomowie nie mogli precyzyjnie określić kierunku pochodzenia fal. Chociaż sygnał był zbyt cichy, aby Virgo mógł potwierdzić jego wykrycie, jego dane pomogły zawęzić potencjalną lokalizację źródła do około 17% całego nieba, co odpowiada obszarowi objętemu przez 34 000 księżyców w pełni.
Skąd oni pochodzą?
Ponieważ te dwa zdarzenia są pierwszymi pewnymi obserwacjami fal grawitacyjnych z czarnych dziur łączących się z gwiazdami neutronowymi, naukowcy mogą teraz oszacować, jak często takie zdarzenia występują we wszechświecie. Chociaż nie wszystkie zdarzenia są wykrywalne, naukowcy spodziewają się, że mniej więcej jedna taka fuzja miesięcznie ma miejsce w odległości miliarda lat świetlnych. Chociaż nie jest jasne, gdzie formują się te układy podwójne, astronomowie zidentyfikowali trzy prawdopodobne kosmiczne pochodzenie: gwiezdne układy podwójne, gęste środowiska gwiezdne, w tym młode gromady gwiazd, oraz centra galaktyk. Zespół przygotowuje obecnie detektory do czwartej serii obserwacji, która ma się rozpocząć latem 2022 roku. „Widzieliśmy już pierwsze przykłady łączenia się czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi, więc wiemy, że one tam są” – powiedział Fishbach. „Ale wciąż tak wiele nie wiemy o gwiazdach neutronowych i czarnych dziurach – jak małe lub duże mogą się stać, jak szybko mogą się obracać, jak łączą się w partnerów łączących się. Dzięki przyszłym danym o falach grawitacyjnych będziemy mieli statystyki, aby odpowiedzieć na te pytania i ostatecznie dowiedzieć się, jak powstają najbardziej ekstremalne obiekty w naszym wszechświecie”.

science