Объект находится между самой тяжелой из известных нейтронных звезд и самой легкой из известных черных дыр.
Международное исследовательское сотрудничество, включая астрономов Северо-Западного университета, обнаружило загадочный объект внутри загадочной области, известной как” разрыв массы " — диапазон, который лежит между самой тяжелой известной нейтронной звездой и самой легкой известной черной дырой. Это открытие имеет важное значение для астрофизики и понимания компактных объектов с низкой массой.
Когда самые массивные звезды умирают, они коллапсируют под действием собственной гравитации и оставляют после себя черные дыры; когда звезды, которые немного менее массивны, чем эта, умирают, они взрываются сверхновой и оставляют после себя плотные, мертвые остатки звезд, называемых нейтронными звездами. Самая тяжелая из известных нейтронных звезд не более чем в 2,5 раза превышает массу нашего Солнца, или 2,5 солнечных масс, а самая легкая из известных черных дыр-около 5 солнечных масс. В течение десятилетий астрономы задавались вопросом: есть ли какие-либо объекты в этом промежутке масс?
Теперь, в новом исследовании лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории Национального научного фонда (LIGO) и Европейской обсерватории Девы, ученые объявили об открытии объекта с массой 2,6 солнечных масс, поместив его прочно в разрыв масс.
Двойной BHs
В августе 2019 года гравитационно-волновая сеть ЛИГО-Девы стала свидетелем слияния черной дыры с массой, в 23 раза превышающей массу нашего Солнца, и загадочного объекта, в 2,6 раза превышающего массу Солнца. Ученые не знают, был ли загадочный объект нейтронной звездой или черной дырой, но в любом случае он установил рекорд как самая тяжелая известная нейтронная звезда или самая легкая известная черная дыра. Кредит: LIGO / Caltech/MIT / R. Hurt (IPAC)
Интригующий объект был обнаружен 14 августа 2019 года, когда он слился с черной дырой 23 солнечных масс, генерируя всплеск гравитационных волн, обнаруженных еще на Земле Лиго и Девой. Статья об обнаружении была опубликована сегодня (23 июня 2020 года) в журнале Astrophysical Journal Letters.
"Слияния смешанной природы-черных дыр и нейтронных звезд — предсказывались десятилетиями, но этот компактный объект в разрыве масс является полной неожиданностью”, - сказала Вики Калогера из Northwestern, которая координировала написание статьи. “Мы действительно расширяем наши знания о маломассивных компактных объектах. Хотя мы не можем точно классифицировать объект, мы видели либо самую тяжелую из известных нейтронных звезд, либо самую легкую из известных черных дыр. В любом случае, это побьет рекорд.”
Калогера, ведущий астрофизик LIGO Scientific Collaboration (LSC), является экспертом в области астрофизики двойников компактных объектов и анализа гравитационно-волновых данных. Она является выдающимся профессором физики и астрономии Университета Даниэля И. Линцера и директором CIERA (Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики) в Северо-Западном Вайнбергском колледже искусств и наук.
“В то время как мы не уверены в природе компактного объекта с низкой массой, мы получили очень надежную меру его массы, которая попадает прямо в так называемый массовый разрыв”,-сказал Марио Спера, соавтор статьи, изучающий образование сливающихся двойников. Он является членом VIRGO collaboration и Постдокторантом Европейского Союза Марии Кюри в СИЕРЕ и университете Падуи.
“Это захватывающее и беспрецедентное открытие в сочетании с уникальным соотношением масс события слияния бросает вызов всем астрофизическим моделям, которые пытаются пролить свет на происхождение этого события”, - сказал Спера. - Однако мы совершенно уверены, что Вселенная в сотый раз говорит нам, что наши представления о том, как формируются, развиваются и сливаются компактные объекты, все еще очень расплывчаты.”
Кладбище Массплот
На этом графике показаны массы черных дыр, обнаруженных с помощью электромагнитных наблюдений (фиолетовый цвет), черных дыр, измеренных с помощью гравитационно-волновых наблюдений (синий цвет), нейтронных звезд, измеренных с помощью электромагнитных наблюдений (желтый цвет), и нейтронных звезд, обнаруженных с помощью гравитационных волн (оранжевый цвет). GW190814 выделяется в середине графика как слияние черной дыры и таинственного объекта, масса которого примерно в 2,6 раза превышает массу Солнца. Кредит: LIGO-Virgo/ Frank Elavsky & Aaron Geller (Северо-Западный)
Космическое слияние, описанное в исследовании, событие, получившее название GW190814, привело к окончательной черной дыре, примерно в 25 раз превышающей массу Солнца. (Часть слившейся массы была преобразована во взрыв энергии в виде гравитационных волн). Новообразованная черная дыра находится примерно в 800 миллионах световых лет от Земли.
Прежде чем два объекта слились, их массы отличались в девять раз, что делало это самое экстремальное соотношение масс, известное для гравитационно-волнового события. Еще одно недавно сообщенное событие ЛИГО-Девы, получившее название GW190412, произошло между двумя черными дырами с соотношением масс около 4: 1.
В дополнение к Калогере и Спере, другие северо-западные исследователи, участвующие в исследовании, - это Чейз Кимболл, Кристофер Берри и Майк Зевин. Все трое являются авторами статьи и членами CIERA.
Кимбалл, аспирант астрономии и член LSC, оценил, как часто во Вселенной происходят слияния, такие как GW190814. Берри, профессор Ciera Board of Visitors Research, является членом редакционного совета LSC для всех публикаций LSC и служил ведущим представителем в этом исследовании. Зевин, аспирант астрономии и член LSC, внес свой вклад в астрофизическую интерпретацию, а также в написание статьи об открытии GW190412.
"Это вызов для современных теоретических моделей, чтобы сформировать сливающиеся пары компактных объектов с таким экстремальным соотношением масс, в котором партнер с низкой массой находится в массовом промежутке”,-сказал Калогера. "Это открытие подразумевает, что эти события происходят гораздо чаще, чем мы предсказывали, что делает этот объект действительно интригующим объектом с низкой массой.
- Таинственный объект может быть нейтронной звездой, сливающейся с черной дырой — захватывающая возможность, ожидаемая теоретически, но еще не подтвержденная наблюдениями, - сказала она. "Однако, в 2,6 раза превышая массу нашего Солнца, она превосходит современные прогнозы для максимальной массы нейтронных звезд и может вместо этого быть самой легкой черной дырой, когда-либо обнаруженной.”
"Независимо от того, является ли объект тяжелой нейтронной звездой или легкой черной дырой, это открытие является первым в новом классе бинарных слияний”, - добавил Кимбалл. "Модели бинарных популяций должны будут учитывать, как часто мы теперь можем сделать вывод, что такого рода события происходят.”
Когда ученые Лиго и Девы заметили это слияние, они немедленно разослали предупреждение астрономическому сообществу. Десятки наземных и космических телескопов следили за происходящим в поисках световых волн, но ни один из них не уловил никаких сигналов.
До сих пор такие световые аналоги гравитационно-волновых сигналов были замечены только один раз, в событии под названием GW170817. Это событие, обнаруженное сетью ЛИГО-Дева в августе 2017 года, включало в себя огненное столкновение между двумя нейтронными звездами, которое впоследствии было засвидетельствовано десятками телескопов на Земле и в космосе. Столкновения нейтронных звезд-это беспорядочные дела с веществом, выброшенным наружу во всех направлениях, и поэтому ожидается, что оно будет сиять светом. И наоборот, считается, что слияния черных дыр в большинстве случаев не производят света.
По мнению ученых Лиго и Девы, августовское событие 2019 года не было замечено в свете по нескольким возможным причинам. Во-первых, это событие было в шесть раз дальше, чем слияние, наблюдавшееся в 2017 году, что затрудняло восприятие любых световых сигналов. Во-вторых, если бы в столкновении участвовали две черные дыры, то она, скорее всего, не светилась бы никаким светом. В-третьих, если бы объект действительно был нейтронной звездой, его девятикратно более массивный партнер-черная дыра-мог бы поглотить ее целиком; нейтронная звезда, целиком поглощенная черной дырой, не испускала бы никакого света.
“Я думаю о том, как Пакман ест маленькую точку, - говорит Калогера. “Когда массы сильно асимметричны, меньший компактный объект может быть съеден черной дырой за один укус.”
Как исследователи узнают, был ли загадочный объект нейтронной звездой или черной дырой? Будущие наблюдения с помощью LIGO и, возможно, других телескопов могут уловить аналогичные события, которые помогут выявить, существуют ли дополнительные объекты в промежутке масс.
"Разрыв в массе был интересной загадкой на протяжении десятилетий, и теперь мы обнаружили объект, который помещается прямо внутри него”, - сказал Педро Марронетти, программный директор по гравитационной физике Национального научного фонда (NSF). - Это невозможно объяснить, не бросая вызов нашему пониманию чрезвычайно плотной материи или тому, что мы знаем об эволюции звезд. Это наблюдение является еще одним примером преобразующего потенциала поля гравитационно-волновой астрономии, которое с каждым новым открытием открывает новые горизонты для новых открытий.”