Los astrofísicos detectan la primera fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones

Una imagen artística inspirada en el evento de un agujero negro y una fusión de estrellas de neutrones. Créditos: Carl Knox, OzGrav / Swinburne

Hace mucho tiempo, en dos galaxias separadas por unos 900 millones de años luz, dos agujeros negros devoraron cada uno un grupo de estrellas de neutrones, causando ondas gravitacionales y finalmente chocando con la Tierra en enero de 2020.

Dos eventos descubiertos por un equipo internacional de astrofísicos, incluidos investigadores de la Universidad Northwestern, se detectan cada 10 días y muestran la primera detección de un agujero negro que se fusiona con una estrella de neutrones. Los hallazgos permiten a los investigadores sacar conclusiones iniciales sobre los orígenes de estos raros sistemas estelares y la frecuencia con la que se fusionan.

“Las ondas gravitacionales fueron capaces de detectar colisiones entre pares de agujeros negros y pares de estrellas de neutrones, pero las colisiones mixtas entre agujeros negros y estrellas de neutrones son esquivas y carecen de la imagen familiar de la fusión de objetos compactos. Era parte ”, dijo Chase. Kimball, un estudiante de posgrado en el noroeste que fue coautor de la investigación. “Completar esta imagen es importante para restringir la formación de objetos compactos y el alojamiento de modelos astrofísicos de evolución binaria. Exclusivo de estos modelos son los agujeros negros y las estrellas de neutrones entre ellos. Predicción de la tasa de fusión. En última instancia, estas detecciones dan las siguientes medidas: Tasas de fusión en las tres categorías de fusiones binarias compactas. “

El estudio se publicará el 29 de junio Carta de diario astrofísico.. El equipo incluye investigadores de los proyectos LIGO Scientific Collaboration (LSC), Virgo Collaboration y Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA). Kimball, miembro del LSC, dirigió el cálculo de las estimaciones de la tasa de fusión y cómo encajan en las predicciones de varios canales de formación de estrellas de neutrones y agujeros negros. También contribuyó a la discusión de las implicaciones astrofísicas del descubrimiento.

Kimball es Vicky Carogera, Investigadora Principal del Grupo LSC en la Universidad de Northwestern y Directora del Centro de Investigación Interdisciplinaria de Astrofísica (CIERA), y Daniel I. Linzer de la Universidad de las Artes de Weinberg en Física y Astrofísica Co-asesorado por un profesor prominente . Ciencias; por Christopher Berry, miembro de LSC, profesor de investigación visitante de CIERA en la Universidad de Northwestern y conferencista en el Instituto de Gravedad de la Universidad de Glasgow. Otros coautores del noroeste incluyen a Maya Fishbach, becaria postdoctoral en NASA Einstein y miembro del LSC.

De la colaboración MAYA simulación de relatividad numérica de la fusión de estrellas de neutrones y binarios de agujeros negros. Nos centramos en los objetos fusionados que muestran la desintegración de las estrellas de neutrones. Créditos: Deborah Ferguson (UT Austin), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech), Karan Jani (Vanderbilt)

Dos eventos en 10 días

El 5 de enero de 2020 y el 15 de enero de 2020, el equipo observó dos nuevos eventos de ondas gravitacionales llamados GW200105 y GW200115 más tarde en la tercera ejecución de observación de los detectores LIGO y Virgo llamados O3b. hizo. Varias estaciones realizaron varias observaciones de seguimiento, pero no se observó luz de ninguno de los eventos, consistente con la masa y la distancia medidas.

“Como predijimos, claro, tras el intrigante descubrimiento de una estrella binaria de agujero negro con un misterioso objeto que podría ser la estrella de neutrones más grande conocida, anunciado en junio de 2020. También es emocionante detectar fusiones mixtas identificadas en. Un modelo teórico de décadas atrás. ”“ Hacer coincidir cuantitativamente las restricciones de tasa y las propiedades de los tres tipos de población es una forma poderosa de responder a la pregunta básica del origen ”.

Los tres grandes detectores (tanto LIGO como Virgo) detectaron el GW200115. Este es el resultado de la fusión de un agujero negro con una masa de 6 solares y una estrella de neutrones con una masa de 1,5 solares, a unos mil millones de años luz de distancia de la Tierra. Al observar tres detectores lejanos en la Tierra, se puede determinar la dirección de la onda hacia el origen en el cielo, que corresponde al área cubierta por la luna llena de 2.900.

Hace apenas 10 días, LIGO detectó una fuerte señal del GW200105 y usó un detector para desconectar temporalmente el otro detector. Mientras también observaba a Virgo, la señal era demasiado silenciosa en sus datos para ayudar a Virgo a detectarla. Los astrónomos especulan a partir de ondas gravitacionales que un agujero negro con 9 masas solares chocó con una estrella compacta con 1,9 masas solares, lo que hizo que la señal finalmente concluyera que se trata de una estrella de neutrones. La fusión tuvo lugar a una distancia de unos 900 millones de años luz de la Tierra.

La señal era fuerte con un solo detector, por lo que los astrónomos no pudieron determinar con precisión la dirección del origen de la onda. La señal era demasiado silenciosa para que Virgo confirmara la detección, pero los datos ayudaron a reducir la ubicación potencial de la fuente a aproximadamente el 17% del cielo. Esto corresponde a un área cubierta por 34.000 lunas llenas.

La danza final de un par de estrellas de neutrones mixtas y agujeros negros

Las masas de las estrellas de neutrones y los agujeros negros se miden mediante ondas gravitacionales (azul y naranja) y observaciones electromagnéticas (amarillo y violeta). GW200105 y GW200115 se enfatizan como una fusión de estrellas de neutrones y agujeros negros. Créditos: 漏 LIGO-Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern

¿De dónde vienen?

Los dos eventos son las primeras observaciones confiables de ondas gravitacionales de agujeros negros que se fusionan con estrellas de neutrones, lo que permite a los investigadores estimar con qué frecuencia ocurren tales eventos en el espacio. No todos los eventos pueden detectarse, pero los investigadores predicen que tal fusión ocurrirá aproximadamente una vez al mes dentro de una distancia de mil millones de años luz.

No está claro dónde se forman estos sistemas estelares, pero los astrónomos han identificado tres posibles orígenes cósmicos: sistemas estelares, entornos estelares densos que contienen cúmulos jóvenes y centros galácticos.

Actualmente, el equipo está preparando un detector para la cuarta ejecución de observación, que comenzará en el verano de 2022.

“Sabemos que están ahí porque vimos el primer ejemplo de agujeros negros fusionándose con estrellas de neutrones”, dijo Fishback. “Pero todavía no sabemos mucho sobre las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Qué tan pequeños o grandes son, qué tan rápido pueden rotar y cómo se pueden emparejar con sus socios fusionados. Ondas gravitacionales futuras. Con los datos de ondas, aprenderemos las estadísticas para responder estas preguntas y, en última instancia, cómo se crean los objetos más extremos de nuestro universo. “


Búsqueda de ondas gravitacionales Sin búsqueda de tambor de jamón


Para más información:
Carta de diario astrofísico (2021). dx.doi.org/10.3847/2041-8213/ac082e

Proporcionado por
Northwestern University

Cita: Eruditos astronómicos de los primeros agujeros negros y estrellas de neutrones obtenidos el 29 de junio de 2021 de https: //phys.org/news/2021-06-black-holes-swallow-neutron-stars.html Detecta la coalescencia (29 de junio de 2021 )

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