Een internationale onderzoekssamenwerking, waaronder astronomen van de Northwestern University, heeft tot nu toe het meest gedetailleerde familieportret van zwarte gaten opgeleverd. biedt nieuwe aanwijzingen over hoe zwarte gaten ontstaan. Een intensieve analyse van de meest recente beschikbare zwaartekrachtsgolfgegevens leidde tot het rijke portret en tot meerdere tests van Einsteins algemene relativiteitstheorie. (De theorie is geslaagd voor elke test.)

Het team van wetenschappers dat deel uitmaakt van de LIGO Scientific Collaboration (LSC) en de Virgo Collaboration, deelt nu de volledige details van zijn ontdekkingen. Dit omvat nieuwe kandidaten voor het detecteren van zwaartekrachtgolven die nauwkeurig werden onderzocht - maar liefst 39, die een verscheidenheid aan zwarte gaten en neutronensterren vertegenwoordigen - en nieuwe ontdekkingen als resultaat van het combineren van alle waarnemingen. De 39 gebeurtenissen werden gemiddeld meer dan één per week geobserveerd.

De waarnemingen kunnen een sleutelrol spelen bij het oplossen van de vele mysteries over hoe dubbelsterren precies met elkaar omgaan. Een beter begrip van hoe dubbelsterren evolueren, heeft gevolgen voor de astronomie, van exoplaneten tot de vorming van sterrenstelsels.

Details worden gerapporteerd in een drietal verwante artikelen die op 28 oktober in pre-print beschikbaar zullen zijn op arxiv.org. De onderzoeken worden ook voorgelegd aan peer-reviewed tijdschriften.

De zwaartekrachtsgolfsignalen waarop de onderzoeken zijn gebaseerd, werden gedetecteerd tijdens de eerste helft van de derde waarnemingsrun, genaamd O3a, van de National Science Foundation's Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory (LIGO), een paar identieke, 4 kilometer lange interferometers in de Verenigde Staten, en Maagd, een 3 kilometer lange detector in Italië. De instrumenten kunnen gravitatiegolfsignalen van vele bronnen detecteren, inclusief botsende zwarte gaten en botsende neutronensterren.

"Zwaartekrachtgolfastronomie is revolutionair - het onthult ons de verborgen levens van zwarte gaten en neutronensterren, " zei Christopher Berry, een LSC-lid en auteur van de papers. "In slechts vijf jaar tijd zijn we van het niet weten dat er binaire zwarte gaten bestaan, naar een catalogus van meer dan 40. De derde waarnemingsrun heeft meer ontdekkingen opgeleverd dan ooit tevoren. Door ze te combineren met eerdere ontdekkingen wordt een prachtig beeld geschetst van de rijke verscheidenheid van het universum van binaire bestanden."

Berry is de CIERA Board of Visitors Research Professor in Northwestern's CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics) en een docent aan de Universiteit van Glasgow. Andere Noordwest-auteurs zijn CIERA-leden Maya Fishbach en Chase Kimball. CIERA is de thuisbasis van een brede groep onderzoekers in theorie, simulatie en observatie die zwarte gaten bestuderen, neutronensterren, witte dwergen en meer.

Als lid van de samenwerking, Noordwest-onderzoekers analyseerden gegevens van de zwaartekrachtgolfdetectoren om de eigenschappen van gedetecteerde dubbelsterren van zwarte gaten en neutronensterren af ​​te leiden en om een ​​astrofysische interpretatie van deze ontdekkingen te geven.

De documenten zijn als volgt samengevat:

• Het "cataloguspapier" beschrijft de detecties van zwarte gaten en neutronensterren uit de eerste helft van O3a, waarmee het totale aantal detectiekandidaten voor die periode op 39 komt. Dit aantal overtreft aanzienlijk de detecties van de eerste twee waarnemingsruns. (De eerste run had drie zwaartekrachtsgolfdetecties, en de tweede had er acht.) Eerder aangekondigde detecties van O3a omvatten een mysterieus object in de massakloof (GW190814) en het eerste in zijn soort tussenliggende zwarte gat (GW190521).
• In het "populatieblad" De onderzoekers reconstrueerden de verdeling van massa's en spins van de populatie van zwarte gaten en schatten de fusiesnelheid voor binaire neutronensterren. De resultaten zullen wetenschappers helpen de gedetailleerde astrofysische processen te begrijpen die bepalen hoe deze systemen worden gevormd. Dit verbeterde begrip van de massaverdeling van zwarte gaten en de wetenschap dat spins van zwarte gaten verkeerd kunnen worden uitgelijnd, suggereert dat er meerdere manieren kunnen zijn waarop binaire zwarte gaten kunnen worden gevormd.
• Met behulp van de reeks detecties die in het cataloguspapier worden vermeld, de onderzoekers voerden een gedetailleerde analyse uit door alles met elkaar te combineren. In wat zij het "testen van de algemene relativiteitstheorie" noemen, De auteurs legden beperkingen op aan Einsteins algemene relativiteitstheorie. De theorie slaagde met vlag en wimpel, en ze hebben hun beste metingen bijgewerkt over mogelijke wijzigingen.

"Tot dusver, De derde waarnemingsrun van LIGO en Maagd heeft veel verrassingen opgeleverd, " zei Fishbach, een NASA Einstein Postdoctoral Fellow en LSC-lid. "Na de tweede observatierun, Ik dacht dat we het hele spectrum van binaire zwarte gaten hadden gezien, maar het landschap van zwarte gaten is veel rijker en gevarieerder dan ik me had voorgesteld. Ik ben opgewonden om te zien wat toekomstige observaties ons zullen leren."

Fishbach coördineerde het schrijven van het populatiedocument waarin wordt geschetst wat de samenwerking heeft geleerd over de eigenschappen van de familie van samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren.

Berry hielp bij het coördineren van de analyse als onderdeel van een wereldwijd team om de eigenschappen van de detecties af te leiden, en hij diende als recensent van de LSC-redactie voor de catalogus en het testen van artikelen over de algemene relativiteitstheorie.

Afgestudeerde student Chase Kimball, een LSC-lid, bijgedragen berekeningen van de tarieven van fusies aan de bevolking papier. Kimball wordt mede geadviseerd door Berry en Vicky Kalogera, de hoofdonderzoeker van de LSC-groep van Northwestern, directeur van CIERA en de Daniel I. Linzer Distinguished University Professor of Physics and Astronomy aan het Weinberg College of Arts and Sciences.

De LIGO- en Virgo-detectoren hebben afgelopen maart hun laatste waarnemingsrun afgerond. De gegevens die in deze drie papers zijn geanalyseerd, zijn verzameld vanaf 1 april. 2019, tot 1 oktober 2019. Onderzoekers zijn bezig met het analyseren van gegevens van de tweede helft van de waarnemingsrun, O3b.

Het is de bedoeling dat de detectoren volgend jaar hun waarnemingen hervatten nadat het werk is gedaan om hun detectiebereik te vergroten.

"Het samenvoegen van dubbelsterren van zwarte gaten en neutronensterren is een uniek laboratorium, Berry zei. "We kunnen ze gebruiken om zowel de zwaartekracht te bestuderen - tot nu toe heeft de algemene relativiteitstheorie van Einstein alle tests doorstaan ​​- en de astrofysica van hoe massieve sterren hun leven leiden. LIGO en Maagd hebben ons vermogen om deze dubbelsterren te observeren getransformeerd, en, naarmate onze detectoren verbeteren, de snelheid van ontdekking zal alleen maar toenemen."