Обнаруженные международной группой астрофизиков, в том числе исследователями Северо-Западного университета, два события, обнаруженных с разницей всего в 10 дней, стали первым в истории обнаружением слияния черной дыры с нейтронной звездой. Полученные данные позволят исследователям сделать первые выводы о происхождении этих редких двойных систем и о том, как часто они сливаются.
«Гравитационные волны позволили нам обнаружить столкновения пар черных дыр и пар нейтронных звезд, но смешанное столкновение черной дыры с нейтронной звездой было неуловимым недостающим фрагментом семейной картины слияния компактных объектов», – сказал Чейз. Кимбалл, аспирант Северо-Запада, соавтор исследования. "Завершение этой картины имеет решающее значение для ограничения множества астрофизических моделей образования компактных объектов и эволюции двойных звезд.
Этим моделям присущи предсказания скорости слияния черных дыр и нейтронных звезд между собой. Благодаря этим обнаружениям у нас, наконец, есть измерения скорости слияния по всем трем категориям компактных бинарных слияний."
Исследование будет опубликовано 29 июня в Astrophysical Journal Letters. В команду входят исследователи из LIGO Scientific Collaboration (LSC), Virgo Collaboration и проекта Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA). Член LSC, Кимбалл провел расчеты оценок скорости слияния и того, как они вписываются в прогнозы различных каналов образования нейтронных звезд и черных дыр.
Он также участвовал в дискуссиях об астрофизических последствиях открытия.
Кимбалл консультирует Вики Калогера, главный исследователь группы LSC Northwestern, директор Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA) и Даниэль I. Линцер заслуженный профессор физики и астрономии в колледжах искусств и наук Вайнберга; и Кристофером Берри, членом LSC и профессором-исследователем Совета посетителей CIERA в Северо-Западном регионе, а также лектором Института гравитационных исследований Университета Глазго.
Среди других соавторов с Северо-Запада – Майя Фишбах, научный сотрудник НАСА Эйнштейн и член LSC.
Два события за десять дней
В январе команда наблюдала два новых гравитационно-волновых события, получивших название GW200105 и GW200115. 5 января 2020 г. 15 февраля 2020 г., во время второй половины третьего сеанса наблюдений детекторов LIGO и Virgo под названием O3b.
Несмотря на то, что несколько обсерваторий провели несколько последующих наблюдений, ни один из них не наблюдал свет ни от одного события, что соответствовало бы измеренным массам и расстояниям.
"После дразнящего открытия, о котором было объявлено в июне 2020 года, слияния черной дыры с загадочным объектом, который, возможно, является самой массивной нейтронной звездой из известных, интересно также иметь обнаружение четко идентифицированных смешанных слияний, как предсказано нашими специалистами. теоретические модели на протяжении десятилетий ", – сказал Калогера. "Количественное сопоставление ограничений скорости и свойств для всех трех типов населения станет мощным способом ответить на основополагающие вопросы происхождения."
Все три больших детектора (как LIGO, так и Virgo) обнаружили GW200115, образовавшуюся в результате слияния черной дыры массой 6 солнечных с массой 1.Нейтронная звезда с массой 5 солнечных, примерно в 1 миллиард световых лет от Земли. Наблюдая за тремя удаленными друг от друга детекторами на Земле, можно определить направление источника волн на часть неба, эквивалентную площади, покрытой 2900 полными лунами.
Всего 10 дней назад LIGO обнаружила сильный сигнал от GW200105, используя только один детектор, в то время как другой был временно отключен. Пока Дева тоже наблюдала, сигнал был слишком тихим, чтобы Дева могла его обнаружить. По гравитационным волнам астрономы пришли к выводу, что сигнал был вызван столкновением черной дыры с массой 9 солнечных.Компактный объект массой 9 солнечных, который они в конечном итоге пришли к выводу, что это нейтронная звезда.
Это слияние произошло на расстоянии около 900 миллионов световых лет от Земли.
Поскольку сигнал был сильным только в одном детекторе, астрономы не могли точно определить направление происхождения волн. Хотя сигнал был слишком тихим, чтобы Дева могла подтвердить его обнаружение, его данные помогли сузить потенциальное местоположение источника примерно до 17% всего неба, что эквивалентно области, покрытой 34000 полных лун.
Откуда они?
Поскольку эти два события являются первыми достоверными наблюдениями гравитационных волн от черных дыр, сливающихся с нейтронными звездами, исследователи теперь могут оценить, как часто такие события происходят во Вселенной. Хотя не все события поддаются обнаружению, исследователи ожидают, что примерно одно такое слияние в месяц происходит на расстоянии в один миллиард световых лет.
Хотя неясно, где образуются эти двойные системы, астрономы определили три вероятных космических происхождения: звездные двойные системы, плотное звездное окружение, включая молодые звездные скопления, и центры галактик.
В настоящее время команда готовит детекторы к четвертому запуску наблюдений, который начнется летом 2022 года.
«Теперь мы видели первые примеры слияния черных дыр с нейтронными звездами, поэтому мы знаем, что они там», – сказал Фишбах. «Но мы все еще так много не знаем о нейтронных звездах и черных дырах – насколько они могут стать маленькими или большими, с какой скоростью они могут вращаться, как они объединяются в партнеров по слиянию. С будущими данными о гравитационных волнах у нас будет статистика, чтобы ответить на эти вопросы, и в конечном итоге мы узнаем, как создаются самые экстремальные объекты в нашей Вселенной."