När de mest massiva stjärnorna dör, de kollapsar under sin egen gravitation och lämnar efter sig svarta hål; när stjärnor som är lite mindre massiva dör, de exploderar i en supernova och lämnar efter sig täta, döda rester av stjärnor som kallas neutronstjärnor. I årtionden, astronomer har blivit förbryllade över ett gap som ligger mellan neutronstjärnor och svarta hål:den tyngsta kända neutronstjärnan är inte mer än 2,5 gånger vår sols massa, eller 2,5 solmassor, och det lättaste kända svarta hålet är cirka fem solmassor. Frågan kvarstod:ligger det något i denna så kallade massklyfta?

Nu, i en ny studie från National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) och Virgo-detektorn i Europa, forskare har meddelat upptäckten av ett objekt med 2,6 solmassor, placera den stadigt i massmellanrummet. Föremålet hittades den 14 augusti, 2019, när det smälte samman med ett svart hål med 23 solmassor, genererar ett stänk av gravitationsvågor som upptäckts tillbaka på jorden av LIGO och Jungfrun. En artikel om upptäckten har godkänts för publicering i The Astrophysical Journal Letters .

"Vi har väntat i årtionden på att lösa detta mysterium, " säger medförfattaren Vicky Kalogera, professor vid Northwestern University. "Vi vet inte om detta objekt är den tyngsta kända neutronstjärnan, eller det lättaste kända svarta hålet, men hur som helst slår det rekord."

"Det här kommer att förändra hur forskare pratar om neutronstjärnor och svarta hål, " säger medförfattaren Patrick Brady, professor vid University of Wisconsin, Milwaukee, och talesmannen för LIGO Scientific Collaboration. "Massklyftan kanske faktiskt inte existerar alls men kan ha berott på begränsningar i observationsförmåga. Tid och fler observationer får utvisa."

Den kosmiska sammanslagning som beskrivs i studien, en händelse kallad GW190814, resulterade i ett slutligt svart hål ungefär 25 gånger solens massa (en del av den sammanslagna massan omvandlades till en explosion av energi i form av gravitationsvågor). Det nybildade svarta hålet ligger cirka 800 miljoner ljusår från jorden.

Innan de två objekten slogs samman, deras massor skilde sig med en faktor 9, vilket gör detta till det mest extrema massförhållandet känt för en gravitationsvåghändelse. En annan nyligen rapporterad LIGO-Jungfru-händelse, heter GW190412, inträffade mellan två svarta hål med ett massförhållande på cirka 4:1.

"Det är en utmaning för nuvarande teoretiska modeller att bilda sammanslagna par av kompakta objekt med ett så stort massförhållande där partnern med låg massa bor i massgapet. Denna upptäckt innebär att dessa händelser inträffar mycket oftare än vi förutspått, vilket gör detta till ett riktigt spännande lågmassaobjekt, " förklarar Kalogera. "Det mystiska objektet kan vara en neutronstjärna som smälter samman med ett svart hål, en spännande möjlighet som förväntas teoretiskt men ännu inte bekräftad observationsmässigt. Dock, med 2,6 gånger massan av vår sol, den överträffar moderna förutsägelser för neutronstjärnornas maximala massa, och kan istället vara det lättaste svarta hålet som någonsin upptäckts."

När LIGO- och Jungfruforskarna upptäckte denna sammanslagning, de skickade omedelbart ut en varning till det astronomiska samfundet. Dussintals mark- och rymdbaserade teleskop följde upp i jakten på ljusvågor som genererades i händelsen, men ingen fick några signaler. Än så länge, sådana ljusmotsvarigheter till gravitationsvågsignaler har bara setts en gång, i en händelse som heter GW170817. Händelsen, upptäcktes av LIGO-Virgo-nätverket i augusti 2017, involverade en brinnande kollision mellan två neutronstjärnor som sedan bevittnades av dussintals teleskop på jorden och i rymden. Neutronstjärnekollisioner är röriga affärer med materia som slungas utåt i alla riktningar och förväntas därför lysa med ljus. Omvänt, svarta håls sammanslagningar, i de flesta fall, tros inte producera ljus.

Enligt forskare från LIGO och Jungfrun, händelsen i augusti 2019 sågs inte av ljusbaserade teleskop av ett par möjliga skäl. Först, denna händelse var sex gånger längre bort än fusionen som observerades 2017, vilket gör det svårare att fånga upp ljussignaler. För det andra, om kollisionen involverade två svarta hål, det skulle troligen inte ha lyst med något ljus. För det tredje, om objektet i själva verket var en neutronstjärna, dess nio gånger mer massiva svarthålspartner kan ha svalt det hela; en neutronstjärna som konsumeras hel av ett svart hål skulle inte avge något ljus.

"Jag tänker på Pac-Man som äter en liten prick, " säger Kalogera. "När massorna är mycket asymmetriska, den mindre neutronstjärnan kan ätas i en tugga."

Hur kommer forskare någonsin att veta om det mystiska objektet var en neutronstjärna eller ett svart hål? Framtida observationer med LIGO, Jungfrun, och möjligen kan andra teleskop fånga liknande händelser som skulle hjälpa till att avslöja om ytterligare föremål finns i massgapet.

"Detta är den första glimten av vad som kan vara en helt ny population av kompakta binära objekt, säger Charlie Hoy, en medlem av LIGO Scientific Collaboration och en doktorand vid Cardiff University. "What is really exciting is that this is just the start. As the detectors get more and more sensitive, we will observe even more of these signals, and we will be able to pinpoint the populations of neutron stars and black holes in the universe."

"The mass gap has been an interesting puzzle for decades, and now we've detected an object that fits just inside it, " says Pedro Marronetti, program director for gravitational physics at the National Science Foundation (NSF). "That cannot be explained without defying our understanding of extremely dense matter or what we know about the evolution of stars. This observation is yet another example of the transformative potential of the field of gravitational-wave astronomy, which brings novel insights to light with every new detection."