Undele gravitaționale dezvăluie primele fuziuni cunoscute ale unei găuri negre și a unei stele neutronice

Prinsă într-o spirală interioară fatală, o stea neutronică și-a găsit sfârșitul când o gaură neagră a înghițit-o întreagă. Ondulurile gravitaționale de la acea coliziune s-au răspândit în exterior prin cosmos, ajungând în cele din urmă pe Pământ. Detectarea acelor valuri marchează prima observare raportată a unei găuri negre care înghiți rămășița densă a stelei moarte. Și într-o întorsătură surprinzătoare, oamenii de știință au observat o a doua astfel de fuziune la doar câteva zile după prima.

Până acum, toate sursele identificate de unde gravitaționale erau două de un fel: fie două găuri negre, fie două stele neutronice, care se învârteau una în jurul celeilalte înainte de a se ciocni și de a coalesce (SN: 1/21/21). Ciocnirile cosmice violente creează valuri care se întind și strâng țesătura spațiu-timpului, ondulații care pot fi susținute de detectoare sensibile.

Împerecherea nepotrivită a unei găuri negre și a unei stele de neutroni a fost ultimul tip de fuziune pe care oamenii de știință se așteptau să îl găsească cu observatoarele actuale de unde gravitaționale. Din pură coincidență, cercetătorii au observat două dintre aceste evenimente la 10 zile unul de celălalt, raportează colaborările LIGO, Virgo și KAGRA din 1 iulie. Scrisori din jurnalul astrofizic.

Nu numai că uniunile dintre găurile negre și stele neutronice nu au fost văzute până acum prin unde gravitaționale, ci și zdrobirile nu au fost niciodată observate prin alte mijloace.

„Aceasta este o primă privire absolută”, spune fizicianul teoretic Susan Scott de la Universitatea Națională Australiană din Canberra, membru al colaborării LIGO.

Rezultatul adaugă un alt semn de bifă numărului de noi descoperiri făcute cu unde gravitaționale. „Merită sărbătorit”, spune astrofizicianul Cole Miller de la Universitatea din Maryland din College Park, care nu a fost implicat în cercetare. De când primele unde gravitaționale au fost detectate în 2015, observatoarele continuă să dezvăluie noi secrete. „Sunt lucruri noi fantastice; nu este doar același vechi, același vechi”, spune el.

Semne ale coliziunilor dintre gaura neagră și stea neutronică înregistrate în observatoarele undelor gravitaționale LIGO și Virgo în 2020, pe 5 și 15 ianuarie. Prima fuziune a constat dintr-o gaură neagră de aproximativ 8,9 ori masa Soarelui și o stea neutronică de aproximativ 1,9 ori. ori masa soarelui. A doua fuziune a avut o gaură neagră cu masa solară de 5,7 și o stea neutronică cu masa solară de 1,5. Ambele coliziuni au avut loc la mai mult de 900 de milioane de ani lumină de Pământ, estimează oamenii de știință.

Pentru a forma unde gravitaționale detectabile, obiectele care se unesc trebuie să fie extrem de dense, cu identități care pot fi fixate de masele lor. Orice lucru cu o masă peste cinci mase solare ar putea fi doar o gaură neagră, cred oamenii de știință. Orice mai puțin de aproximativ trei mase solare trebuie să fie o stea neutronică.

O detectare anterioară a undelor gravitaționale a implicat o gaură neagră fuzionată cu un obiect care nu a putut fi identificat, deoarece masa sa părea să se încadreze între limitele care separă găurile negre și stelele neutronice (SN: 23/06/2020). O altă fuziune anterioară poate să fi rezultat din contopirea unei găuri negre cu o stea neutronică, dar semnalul de la acel eveniment nu a fost suficient de puternic pentru ca oamenii de știință să fie siguri că detectarea a fost adevărata afacere. Cele două noi detectări întăresc cazul pentru întâlnirile cu găurile negre și stele neutroni.

Unul dintre noile evenimente este mai convingător decât celălalt. Fuziunea din 5 ianuarie a fost observată doar în unul dintre cele două detectoare de unde gravitaționale ale LIGO, iar semnalul are o probabilitate relativ mare de a fi o alarmă falsă, spune Miller. „Dacă acesta ar fi singurul eveniment, atunci nu ai fi la fel de încrezător.” Evenimentul din 15 ianuarie, totuși, „pare destul de solid”, spune el.

Întâlnirile epice între stelele neutronice și găurile negre au loc în mod regulat în întregul cosmos, sugerează detecțiile. Pe baza ritmului de detectare, cercetătorii estimează că aceste evenimente au loc aproximativ o dată pe lună pe o rază de 1 miliard de ani lumină de Pământ.

Într-o clasă recent raportată de distrugere cosmică, o stea neutronică (aparentă în portocaliu în această simulare pe computer, după ce videoclipul se apropie) și o gaură neagră (gri închis) spiralează spre interior, producând unde gravitaționale (albastre) într-un dans care se termină atunci când gaura neagră înghite steaua neutronică.

Oamenii de știință nu știu încă cum se întâlnesc stelele neutronice și găurile negre. Ele s-ar putea forma împreună, ca două stele care orbitează una în jurul celeilalte până când ambele rămân fără combustibil și mor, cu una prăbușindu-se într-o gaură neagră, iar cealaltă formând o stea neutronică. Sau cele două obiecte s-ar fi putut forma separat și s-ar fi întâlnit într-o regiune aglomerată plină de multe stele neutronice și găuri negre.

Pe măsură ce o gaură neagră și o stea de neutroni spiralează spre interior și se îmbină, oamenii de știință se așteaptă ca gaura neagră să facă bucăți de steaua de neutroni, producând un spectacol de lumină care ar putea fi observat cu telescoape. Însă astronomii nu au găsit artificii în urma celor două întâlniri nou raportate și nici vreo dovadă că găurile negre au deformat stelele neutronice.

Acest lucru s-ar putea datora faptului că, în ambele cazuri, gaura neagră a fost semnificativ mai mare decât steaua cu neutroni, ceea ce sugerează că gaura neagră a înghițit steaua cu neutroni întreg într-o masă demnă de Pac-Man, spune Scott.

Dacă oamenii de știință ar putea observa în viitor o gaură neagră care distruge o stea neutronică, asta ar putea ajuta cercetătorii să identifice proprietățile materialului ultradens, bogat în neutroni, care alcătuiește stelele moarte (SN: 20/04/21).

În detecțiile anterioare ale undelor gravitaționale, Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru cu laser avansat, sau LIGO, cu sediul în Statele Unite, a făcut echipă cu Virgo, în Italia. Noile observații sunt primele care includ membri ai unui al treilea observator, KAGRA, din Japonia (SN: 18.01.19). Dar detectorul KAGRA în sine nu a contribuit la rezultate, deoarece oamenii de știință încă îl pregăteau pentru a detecta undele gravitaționale la acea vreme. LIGO, Virgo și KAGRA sunt toate offline în prezent, în timp ce oamenii de știință se chinuiesc cu detectoarele și își vor relua căutarea comunală pentru coliziuni cosmice în 2022.