Астрофізики виявили перші злиття чорна діра-нейтронна зоря

Давним-давно, у двох галактиках, розташованих приблизно за 900 мільйонів світлових років від нас, дві чорні діри поглинули своїх супутників-нейтронних зірок, викликавши гравітаційні хвилі, які остаточно досягли Землі у січні 2020 року.

Про це розповідають в Північно-Західному університеті.

Дві події, виявлені міжнародною командою астрофізиків з різницею лише у 10 днів, означають перше в історії виявлення злиття чорної діри з нейтронною зорею. Отримані дані дозволять дослідникам зробити перші висновки про походження цих рідкісних бінарних систем та про те, як часто вони зливаються.

"Гравітаційні хвилі дозволили нам виявити зіткнення пар чорних дір і пар нейтронних зір, але змішане зіткнення чорної діри з нейтронною зорею було невловним фрагментом сімейної картини злиття компактних об′єктів", - сказав Чейз Кімбол, аспірант Північно-Західного університету, який став співавтором дослідження. "Завершення цієї картини має вирішальне значення для накладення обмежень у цілому ряді астрофізичних моделей утворення компактних об′єктів та еволюції бінарів. Властивою частиною цих моделей є їх передбачення швидкості злиття чорних дір та нейтронних зір між собою. Завдяки цим виявленням ми нарешті отримали вимірювання швидкості злиття для всіх трьох категорій компактних бінарних злиттів".

Дослідження опубліковано 29 червня в Astrophysical Journal Letters. До складу команди входять дослідники з Наукової співпраці LIGO (LSC), Співпраці Virgo та проєкту Детектор гравітаційних хвиль Kamioka (KAGRA).

Команда спостерігала за двома новими гравітаційно-хвильовими подіями, які отримали назву GW200105 та GW200115, 5 січня 2020 року та 15 січня 2020 року під час другої половини третього спостережувального циклу детекторів LIGO та Virgo під назвою O3b. Хоча багато обсерваторій провели кілька подальших спостережень, жодна не спостерігала світло від будь-якої події, яке б відповідало виміряним масам і відстаням.

"Після анонсованого в червні 2020 року дражливого відкриття злиття чорної діри з таємничим об′єктом, який може бути наймасивнішою нейтронною зорею з відомих, захопливим є також виявлення чітко ідентифікованих змішаних злиттів, передбачених нашими теоретичними моделями вже кілька десятиліть тому", - сказала спів радник Кімбола і головний дослідник групи Північно-Заходного університету у LSC Вікі Калогера. "Кількісне узгодження обмеження швидкості та властивостей для всіх трьох типів популяцій буде потужним способом надати відповіді на фундаментальні питання походження".

Всі три великі детектори (обидва прилади LIGO, так і прилад Virgo) виявили GW200115, що був результатом злиття чорної діри з 6 сонячними масами та нейтронною зорею з масою 1,5 сонячних приблизно за 1 мільярд світлових років від Землі. За допомогою спостережень трьох широко розділених на Землі детекторів можна визначити напрямок походження хвиль з частини неба, яка еквівалентна площі, яку охоплюють 2900 повних місяців.

Лише 10 днів потому LIGO виявив потужний сигнал від GW200105, використовуючи лише один детектор, тоді як інший тимчасово був у режимі офлайн. Хоча Virgo також вів спостереження, сигнал був занадто тихим, щоб Virgo міг допомогти його виявити. З гравітаційних хвиль астрономи зробили висновок, що сигнал спричинений чорною дірою 9 сонячних мас, що зіткнулася з компактним об’єктом із 1,9-сонячною масою, який, як зрештою вони вирішили, є нейтронною зорею. Це злиття відбулося на відстані близько 900 мільйонів світлових років від Землі.

Оскільки сигнал був потужним лише в одному детекторі, астрономи не змогли точно визначити напрямок походження хвиль. Хоча сигнал був занадто тихим для Virgo, щоб підтвердити його виявлення, наявні дані допомогли звузити потенційне розташування джерела до приблизно 17% всього неба, що еквівалентно площі, покритій 34000 повних місяців.

Маси нейтронних зір і чорних дір, виміряних за допомогою гравітаційних хвиль (синій та оранжевий) та електромагнітних спостережень (жовтий та фіолетовий). GW 200105 та GW 200115 виділені як злиття нейтронних зір з чорними дірами. © LIGO-Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern

Звідки вони беруться?

Оскільки ці дві події є першими впевненими спостереженнями гравітаційних хвиль від чорних дір, що зливаються з нейтронними зорями, тепер дослідники можуть оцінити, як часто такі події відбуваються у Всесвіті. Хоча не всі події піддаються виявленню, дослідники очікують, що приблизно одне таке злиття на місяць відбувається на відстані одного мільярда світлових років.

Хоча незрозуміло, де утворюються ці бінарні системи, астрономи визначили три ймовірні космічні витоки: зоряні бінарні системи, щільні зоряні середовища, включаючи молоді зоряні скупчення, та центри галактик.

В цей час команда готує детектори до четвертого запуску спостережень, який розпочнеться влітку 2022 року.

"Тепер ми побачили перші приклади злиття чорних дір з нейтронними зорями, тому ми знаємо, що вони існують", - сказала співавтор Майя Фішбах, член LSC. "Але ми все ще так багато не знаємо про нейтронні зорі та чорні діри – наскільки маленькими чи великими вони можуть стати, як швидко вони можуть обертатися, як вони об′єднуються в пари для злиття. Завдяки майбутнім гравітаційно-хвильовим даним ми матимемо статистику, щоб відповісти на ці запитання і зрештою дізнатися, як створюються найекстремальніші об’єкти у нашому Всесвіті".

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.