Астрофизики обнаружили первые слияния черная дыра-нейтронная звезда

Давным-давно, в двух галактиках, расположенных примерно в 900 миллионах световых годах от нас, две черные дыры поглотили своих спутников-нейтронных звезд, вызвав гравитационные волны, которые окончательно достигли Земли в январе 2020 года.

Об этом рассказывают в Северо-Западном университете.

Два события, обнаруженные международной командой астрофизиков с разницей лишь в 10 дней, означают первое в истории обнаружение слияния черной дыры с нейтронной звездой. Полученные данные позволят исследователям сделать первые выводы о происхождении этих редких бинарных систем и о том, как часто они сливаются.

"Гравитационные волны позволили нам выявить столкновения пар черных дыр и пар нейтронных звезд, но смешанное столкновения черной дыры с нейтронной звездой было неуловимым фрагментом семейной картины слияния компактных объектов", - сказал Чейз Кимбол, аспирант Северо-Западного университета, который стал соавтором исследования. "Завершение этой картины имеет решающее значение для наложения ограничений в целом ряде астрофизических моделей образования компактных объектов и эволюции бинаров. Присущей частью этих моделей является их предсказания скорости слияния черных дыр и нейтронных звезд между собой. Благодаря этим обнаружением мы наконец получили измерения скорости слияния для всех трех категорий компактных бинарных слияний".

Исследование опубликовано 29 июня в Astrophysical Journal Letters. В состав команды входят исследователи из Научного сотрудничества LIGO (LSC), Сотрудничества Virgo и проекта Детектор гравитационных волн Kamioka (KAGRA).

Команда наблюдала за двумя новыми гравитационно-волновыми событиями, которые получили название GW200105 и GW200115, 5 января 2020 года и 15 января 2020-го во время второй половины третьего наблюдательный цикла детекторов LIGO и Virgo под названием O3b. Хотя многие обсерватории провели несколько последующих наблюдений, ни одна не наблюдала свет от любого события, который бы соответствовал измеренным массам и расстояниям.

"После анонсированного в июне 2020 года раздражающего открытия слияния черной дыры с таинственным объектом, который может быть самой массивной нейтронной звездой из известных, увлекательным также является выявление четко идентифицируемых смешанных слияний, предусмотренных нашими теоретическими моделями уже несколько десятилетий назад", - сказала сосоветник Кимбалл и главный исследователь группы Северо-Западнооо университета в LSC Вики Калогера. "Количественное согласование ограничения скорости и свойств для всех трех типов популяций будет мощным способом дать ответы на фундаментальные вопросы происхождения".

Все три большие детекторы (оба прибора LIGO, так и прибор Virgo) обнаружили GW200115, который был результатом слияния черной дыры с 6 солнечными массами и нейтронной звездой с массой 1,5 солнечных примерно за 1 миллиард световых лет от Земли. С помощью наблюдений трех широко разделенных на Земле детекторов можно определить направление происхождения волн с части неба, которая эквивалентна площади, охватывающей 2900 полных лун.

Только 10 дней спустя LIGO обнаружил мощный сигнал от GW200105, используя только один детектор, тогда как другой временно находился в режиме офлайн. Хотя Virgo также вел наблюдения, сигнал был слишком тихим, чтобы Virgo мог помочь его обнаружить. С гравитационных волн астрономы сделали вывод, что сигнал вызван черной дырой 9 солнечных масс, которая столкнулась с компактным объектом с 1,9-солнечной массой, который, как, в результате они решили, является нейтронной звездой. Это слияние произошло на расстоянии около 900 миллионов световых лет от Земли.

Поскольку сигнал был мощным только в одном детекторе, астрономы не смогли точно определить направление происхождения волн. Хотя сигнал был слишком тихим для Virgo для подтверждения обнаружения, имеющиеся данные помогли сузить потенциальное расположение источника до примерно 17% всего неба, что эквивалентно площади, покрытой 34000 полных лун.

Массы нейтронных звезд и черных дыр, измеренных с помощью гравитационных волн (синий и оранжевый) и электромагнитных наблюдений (желтый и фиолетовый). GW 200105 и GW 200115 выделены как слияния нейтронных звезд с черными дырами. © LIGO-Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern

Откуда они берутся?

Поскольку эти два события являются первыми уверенными наблюдениям гравитационных волн от черных дыр, сливающихся с нейтронными звездами, теперь исследователи могут оценить, как часто такие события происходят во Вселенной. Хотя не все события поддаются выявлению, исследователи ожидают, что примерно одно такое слияние в месяц происходит на расстоянии одного миллиарда световых лет.

Хотя непонятно, где образуются эти бинарные системы, астрономы определили три вероятные космические истоки: звездные бинарные системы, плотные звездные среды, включая молодые звездные скопления, и центры галактик.

В это время команда готовит детекторы к четвертому запуску наблюдений, который начнется летом 2022 года.

"Теперь мы увидели первые примеры слияния черных дыр с нейтронными звездами, поэтому мы знаем, что они существуют", - сказала соавтор Майя Фишбах, член LSC. "Но мы все еще так много не знаем о нейтронных звездах и черных дырах - насколько маленькими или большими они могут стать, как быстро они могут вращаться, как они объединяются в пары для слияния. Благодаря будущим гравитационно-волновым данным мы получим статистику, чтобы ответить на эти вопросы и в конце концов узнать, как создаются самые экстремальные объекты в нашей Вселенной".

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.