Een lange tijd geleden, in twee sterrenstelsels op ongeveer 900 miljoen lichtjaar afstand, twee zwarte gaten slokten elk hun neutronenster-metgezellen op, zwaartekrachtgolven teweegbrengen die uiteindelijk in januari 2020 de aarde raken.

Ontdekt door een internationaal team van astrofysici, waaronder onderzoekers van de Northwestern University, twee gebeurtenissen - slechts 10 dagen na elkaar gedetecteerd - markeren de allereerste detectie van een zwart gat dat samensmelt met een neutronenster. De bevindingen zullen onderzoekers in staat stellen de eerste conclusies te trekken over de oorsprong van deze zeldzame binaire systemen en hoe vaak ze samensmelten.

"Zwaartekrachtsgolven hebben ons in staat gesteld om botsingen van paren zwarte gaten en paren neutronensterren te detecteren, maar de gemengde botsing van een zwart gat met een neutronenster is het ongrijpbare ontbrekende stukje van het familiebeeld van de samensmelting van compacte objecten, " zei Chase Kimball, een noordwestelijke afgestudeerde student die co-auteur was van de studie. "Het voltooien van deze foto is cruciaal om de massa astrofysische modellen van compacte objectvorming en binaire evolutie te beperken. Inherent aan deze modellen zijn hun voorspellingen van de snelheid waarmee zwarte gaten en neutronensterren met elkaar versmelten. Met deze detecties, we hebben eindelijk metingen van de fusiepercentages in alle drie de categorieën compacte binaire fusies."

Het onderzoek wordt op 29 juni gepubliceerd in de Astrofysische journaalbrieven . Het team bestaat uit onderzoekers van de LIGO Scientific Collaboration (LSC), de Virgo Collaboration en het Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) project. Een LSC-lid, Kimball leidde berekeningen van de schattingen van de fusiesnelheid en hoe deze passen in voorspellingen van de verschillende vormingskanalen van neutronensterren en zwarte gaten. Hij droeg ook bij aan discussies over de astrofysische implicaties van de ontdekking.

Kimball wordt mede geadviseerd door Vicky Kalogera, de hoofdonderzoeker van de LSC-groep van Northwestern, directeur van het Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) en de Daniel I. Linzer Distinguished Professor of Physics and Astronomy aan de Weinberg Colleges of Arts and Sciences; en door Christopher Berry, een LSC-lid en de CIERA Board of Visitors Research Professor aan Northwestern, evenals een docent aan het Institute for Gravitational Research aan de Universiteit van Glasgow. Andere Noordwest-co-auteurs zijn Maya Fishbach, een NASA Einstein Postdoctoral Fellow en LSC-lid.

Twee evenementen in tien dagen

Het team observeerde de twee nieuwe zwaartekrachtgolfgebeurtenissen - genaamd GW200105 en GW200115 - op 5 januari, 2020, en 15 januari 2020, tijdens de tweede helft van de LIGO- en Maagd-detectoren derde waarnemingsrun, genaamd O3b. Hoewel meerdere observatoria verschillende vervolgwaarnemingen hebben uitgevoerd, niemand nam het licht van beide gebeurtenissen waar, consistent met de gemeten massa's en afstanden.

"Na de verleidelijke ontdekking, aangekondigd in juni 2020, van een samensmelting van een zwart gat met een mysterieus object, die misschien wel de meest massieve neutronenster is die we kennen, het is ook opwindend om duidelijk geïdentificeerde gemengde fusies te detecteren, zoals al tientallen jaren voorspeld door onze theoretische modellen, " Zei Kalogera. "Het kwantitatief afstemmen van de tariefbeperkingen en eigenschappen voor alle drie de bevolkingstypen zal een krachtige manier zijn om de fundamentele vragen over de oorsprong te beantwoorden."

Alle drie de grote detectoren (zowel LIGO-instrumenten als het Virgo-instrument) detecteerden GW200115, die het gevolg was van de samensmelting van een zwart gat van 6 zonnemassa's met een neutronenster met een massa van 1,5 zonnemassa, ongeveer 1 miljard lichtjaar van de aarde. Met observaties van de drie ver uit elkaar liggende detectoren op aarde, de richting naar de oorsprong van de golven kan worden bepaald tot een deel van de lucht dat gelijk is aan het gebied dat wordt bestreken door 2, 900 volle manen.

Slechts 10 dagen eerder, LIGO detecteerde een sterk signaal van GW200105, met slechts één detector terwijl de andere tijdelijk offline was. While Virgo also was observing, the signal was too quiet in its data for Virgo to help detect it. From the gravitational waves, the astronomers inferred that the signal was caused by a 9-solar mass black hole colliding with a 1.9-solar mass compact object, which they ultimately concluded was a neutron star. This merger happened at a distance of about 900 million light-years from Earth.

Because the signal was strong in only one detector, the astronomers could not precisely determine the direction of the waves' origin. Although the signal was too quiet for Virgo to confirm its detection, its data did help narrow down the source's potential location to about 17% of the entire sky, which is equivalent to the area covered by 34, 000 full moons.

Where do they come from?

Because the two events are the first confident observations of gravitational waves from black holes merging with neutron stars, the researchers now can estimate how often such events happen in the universe. Although not all events are detectable, the researchers expect roughly one such merger per month happens within a distance of one billion light-years.

While it is unclear where these binary systems form, astronomers identified three likely cosmic origins:stellar binary systems, dense stellar environments including young star clusters, and the centers of galaxies.

The team is currently preparing the detectors for a fourth observation run, to begin in summer 2022.

"We've now seen the first examples of black holes merging with neutron stars, so we know that they're out there, " Fishbach said. "But there's still so much we don't know about neutron stars and black holes—how small or big they can get, how fast they can spin, how they pair off into merger partners. With future gravitational wave data, we will have the statistics to answer these questions, and ultimately learn how the most extreme objects in our universe are made."