Wanneer de zwaarste sterren sterven, ze bezwijken onder hun eigen zwaartekracht en laten zwarte gaten achter; wanneer sterren die iets minder massief zijn, sterven, ze exploderen in een supernova en laten dichte, dode overblijfselen van sterren die neutronensterren worden genoemd. Al decenia, astronomen zijn verbijsterd over een kloof tussen neutronensterren en zwarte gaten:de zwaarste bekende neutronenster is niet meer dan 2,5 keer de massa van onze zon, of 2,5 zonsmassa's, en het lichtste bekende zwarte gat is ongeveer vijf zonsmassa's. De vraag bleef:zit er iets in deze zogenaamde massakloof?

Nutsvoorzieningen, in een nieuwe studie van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) van de National Science Foundation en de Virgo-detector in Europa, wetenschappers hebben de ontdekking aangekondigd van een object van 2,6 zonsmassa's, stevig in de massaopening plaatsen. Het object werd gevonden op 14 augustus 2019, toen het samensmolt met een zwart gat van 23 zonsmassa's, het genereren van een plons van zwaartekrachtsgolven die door LIGO en Virgo op aarde zijn gedetecteerd. Een paper over de detectie is geaccepteerd voor publicatie in De astrofysische journaalbrieven .

"We hebben decennia gewacht om dit mysterie op te lossen, " zegt co-auteur Vicky Kalogera, een professor aan de Northwestern University. "We weten niet of dit object de zwaarste bekende neutronenster is, of het lichtst bekende zwarte gat, maar hoe dan ook het breekt een record."

"Dit gaat de manier veranderen waarop wetenschappers praten over neutronensterren en zwarte gaten, " zegt co-auteur Patrick Brady, een professor aan de Universiteit van Wisconsin, Milwaukee, en de woordvoerder van LIGO Wetenschappelijke Samenwerking. "De massakloof bestaat misschien helemaal niet, maar is mogelijk te wijten aan beperkingen in observatiemogelijkheden. De tijd en meer observaties zullen het leren."

De kosmische fusie beschreven in de studie, een evenement genaamd GW190814, resulteerde in een uiteindelijk zwart gat van ongeveer 25 keer de massa van de zon (een deel van de samengevoegde massa werd omgezet in een explosie van energie in de vorm van zwaartekrachtgolven). Het nieuw gevormde zwarte gat bevindt zich op ongeveer 800 miljoen lichtjaar van de aarde.

Voordat de twee objecten samensmolten, hun massa verschilde met een factor 9, waardoor dit de meest extreme massaverhouding is die bekend is voor een zwaartekrachtgolfgebeurtenis. Een ander recent gemeld LIGO-Virgo-evenement, genaamd GW190412, vond plaats tussen twee zwarte gaten met een massaverhouding van ongeveer 4:1.

"Het is een uitdaging voor de huidige theoretische modellen om samensmeltende paren van compacte objecten te vormen met zo'n grote massaverhouding waarin de partner met lage massa zich in de massakloof bevindt. Deze ontdekking impliceert dat deze gebeurtenissen veel vaker voorkomen dan we hadden voorspeld, waardoor dit een heel intrigerend object met een lage massa is, " legt Kalogera uit. "Het mysterieuze object kan een neutronenster zijn die samensmelt met een zwart gat, een opwindende mogelijkheid die theoretisch wordt verwacht, maar nog niet is bevestigd. Echter, met 2,6 keer de massa van onze zon, het overtreft moderne voorspellingen voor de maximale massa van neutronensterren, en kan in plaats daarvan het lichtste zwarte gat zijn dat ooit is gedetecteerd."

Toen de wetenschappers van LIGO en Maagd deze fusie zagen, ze stuurden onmiddellijk een waarschuwing naar de astronomische gemeenschap. Tientallen grond- en ruimtetelescopen volgden op zoek naar lichtgolven die tijdens het evenement werden gegenereerd, maar niemand pikte signalen op. Tot dusver, zulke lichte tegenhangers van gravitatiegolfsignalen zijn slechts één keer gezien, in een evenement genaamd GW170817. De gebeurtenis, ontdekt door het LIGO-Virgo-netwerk in augustus 2017, Het betrof een vurige botsing tussen twee neutronensterren die vervolgens werd waargenomen door tientallen telescopen op aarde en in de ruimte. Botsingen van neutronensterren zijn rommelige aangelegenheden waarbij materie in alle richtingen naar buiten wordt geslingerd en er wordt dus verwacht dat ze met licht schijnen. Omgekeerd, fusies van zwarte gaten, in de meeste omstandigheden, worden geacht geen licht te produceren.

Volgens de wetenschappers van LIGO en Maagd, het evenement van augustus 2019 werd om een ​​paar mogelijke redenen niet gezien door op licht gebaseerde telescopen. Eerst, deze gebeurtenis was zes keer verder weg dan de fusie die in 2017 werd waargenomen, waardoor het moeilijker wordt om lichtsignalen op te vangen. Ten tweede, als de botsing twee zwarte gaten betrof, het zou waarschijnlijk niet hebben geschenen met enig licht. Ten derde, als het object in feite een neutronenster was, zijn 9-voudig massiever zwart-gat partner zou het geheel kunnen hebben ingeslikt; een neutronenster die in zijn geheel wordt opgeslokt door een zwart gat, zou geen licht afgeven.

"Ik denk aan Pac-Man die een stipje eet, ", zegt Kalogera. "Als de massa's zeer asymmetrisch zijn, de kleinere neutronenster kan in één hap worden gegeten."

Hoe zullen onderzoekers ooit weten of het mysterieuze object een neutronenster of een zwart gat was? Toekomstige waarnemingen met LIGO, Maagd, en mogelijk kunnen andere telescopen soortgelijke gebeurtenissen opvangen die zouden helpen onthullen of er extra objecten in de massaleemte bestaan.

"Dit is de eerste glimp van wat een geheel nieuwe populatie compacte binaire objecten zou kunnen zijn, " zegt Charlie Hoy, een lid van de LIGO Scientific Collaboration en een afgestudeerde student aan de Cardiff University. "What is really exciting is that this is just the start. As the detectors get more and more sensitive, we will observe even more of these signals, and we will be able to pinpoint the populations of neutron stars and black holes in the universe."

"The mass gap has been an interesting puzzle for decades, and now we've detected an object that fits just inside it, " says Pedro Marronetti, program director for gravitational physics at the National Science Foundation (NSF). "That cannot be explained without defying our understanding of extremely dense matter or what we know about the evolution of stars. This observation is yet another example of the transformative potential of the field of gravitational-wave astronomy, which brings novel insights to light with every new detection."